Исследователи из HZB создали инновационную технологию, которая может точно измерять малейшие изменения температуры (до 100 микрокельвинов) в результате теплового эффекта Холла, преодолевая предыдущие ограничения, вызванные тепловым шумом. Применив эту технику к титанату тербия, команда продемонстрировала ее эффективность в получении последовательных и надежных результатов. Этот прогресс в измерении теплового эффекта Холла проливает свет на поведение когерентных многочастичных состояний в квантовых материалах, в частности на их взаимодействие с колебаниями решетки, известными как фононы.

Несколько инноваций в новом стержне для образцов, включая держатель образца, обеспечивают высочайшую точность измерения температуры. Источник: Д.Койда/HZB

Законы квантовой физики применимы ко всем материалам. Однако в так называемых квантовых материалах эти законы приводят к особенно необычным свойствам. Например, изменения магнитных полей или температур могут вызывать катаклизмы, коллективные состояния или квазичастицы, сопровождающиеся фазовыми переходами в экзотические состояния. Пока его можно понимать, управлять и контролировать, его можно использовать различными способами: например, в будущих информационных технологиях данные можно будет хранить или обрабатывать с минимальными затратами энергии.

Тепловой эффект Холла (ТЭХ) играет ключевую роль в идентификации экзотических состояний в конденсированном состоянии. Этот эффект основан на небольших поперечных перепадах температур, возникающих при прохождении через образец теплового тока и приложении вертикального магнитного поля (см. рисунок 2). Количественно измеряя тепловой эффект Холла, мы можем отличить экзотические возбуждения от обычного поведения.

Если применяется продольная разница температур, тепловой эффект Холла приводит к чрезвычайно малой поперечной разнице температур. Магнитное поле проникает в образец перпендикулярно. Источник: Д.Койда/HZB

Термический эффект Холла наблюдается в различных материалах, включая спиновые жидкости, спиновый лед, материнскую фазу высокотемпературных сверхпроводников и материалы с сильной полярностью. Однако температурные различия, перпендикулярные градиенту температуры в образце, очень малы: в типичном образце миллиметрового масштаба температурные различия варьируются от микроКельвина до милликельвина. До сих пор было трудно обнаружить эти температурные различия экспериментально, поскольку тепло, выделяемое измерительной электроникой и датчиками, маскирует этот эффект.

Команда под руководством доктора Клауса Хабихта, доктора философии, провела новаторскую работу. Совместно с экспертами HZB Sample Environment они разработали новый стержень для образцов модульной конструкции, который можно вставлять в различные криогенные магниты. В головке образца используется емкостная термометрия для измерения теплового эффекта Холла. При этом используются температурно-зависимые емкостные свойства специально изготовленных микроконденсаторов. С помощью этого устройства специалистам удалось значительно снизить теплопроводность через датчик и электронные компоненты, а также ослабить мешающие сигналы и шумы за счет ряда нововведений. Чтобы проверить этот метод измерения, они проанализировали образец титаната тербия, теплопроводность которого в различных ориентациях кристаллов в магнитных полях хорошо известна. Данные измерений хорошо согласуются с литературными.

Первый автор, доктор Дэнни Койда, сказал: «Способность определять разницу температур в субмиликельвиновом диапазоне восхищает меня и является ключом к более детальному изучению квантовых материалов. Вместе мы разработали сложную экспериментальную схему, четкие протоколы измерений и точные процедуры анализа, что приводит к воспроизводимым измерениям с высоким разрешением».

Глава отдела Клаус Хабихт добавляет: «Наша работа также предоставляет информацию о том, как еще больше улучшить разрешающую способность будущих приборов для низких температур проб. Я хотел бы поблагодарить всех, кто участвовал, особенно команду по работе с образцами. Я надеюсь, что экспериментальная установка будет прочно интегрирована в инфраструктуру HZB и что рекомендуемые обновления будут реализованы».

Исследовательская группа Хабихта теперь будет использовать измерения теплового эффекта Холла для изучения топологических свойств колебаний решетки или фононов в квантовых материалах. «Микроскопические механизмы теплового эффекта Холла и физика процессов рассеяния в ионных кристаллах далеки от полного понимания. Интересный вопрос заключается в том, почему электрически нейтральные квазичастицы в немагнитных изоляторах отклоняются в магнитных полях», — говорит Хабихт. Благодаря этому новому инструменту у исследовательской группы теперь есть предпосылки для ответа на этот вопрос.

Источник составления: ScitechDaily.