Среда, 21 февраля, 2024
ДомойФизикаПрорывной метод открывает новое окно в квантовый мир

Прорывной метод открывает новое окно в квантовый мир

- Advertisement -

Несколько инноваций в новом стержне для образцов, включая держатель образца, позволяют измерять температуру с высочайшей точностью. Фото: Д. Койда/HZB

Исследователи из HZB создали инновационную технику для точного измерения мельчайших изменений температуры (до 100 микрокельвинов) в рамках теплового эффекта Холла, преодолев 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.

Законы квантовой физики применимы ко всем материалам. Однако в так называемых квантовых материалах эти законы порождают особенно необычные свойства. Например, магнитные поля или изменения температуры могут вызывать возбуждения, коллективные состояния или квазичастицы, сопровождающиеся фазовыми переходами в экзотические состояния. Это можно использовать по-разному, при условии, что его можно понимать, управлять и контролировать: например, в будущих информационных технологиях, которые смогут хранить или обрабатывать данные с минимальными затратами энергии.

Тепловой эффект Холла (ТЭХ) играет ключевую роль в идентификации экзотических состояний в конденсированном состоянии. Эффект основан на крошечных поперечных перепадах температур, возникающих при прохождении через образец теплового тока и приложении перпендикулярного магнитного поля (см. рисунок 2). В частности, количественное измерение теплового эффекта Холла позволяет нам отделить экзотические возбуждения от обычного поведения.

Термический эффект Холла приводит к очень малой поперечной разнице температур, если применяется продольная разность температур. Магнитное поле проникает в образец вертикально. Фото: Д. Койда/HZB

Термический эффект Холла наблюдается в различных материалах, включая спиновые жидкости, спиновый лед, материнские фазы высокотемпературных сверхпроводников и материалы с сильно полярными свойствами. Однако температурные различия, возникающие перпендикулярно градиенту температуры в образце, чрезвычайно малы: в типичных образцах миллиметрового размера они находятся в диапазоне от микрокельвинов до милликельвинов. До сих пор было трудно обнаружить эти тепловые различия экспериментально, поскольку тепло, выделяемое измерительной электроникой и датчиками, маскирует эффект.

Новый держатель образцов

Группа под руководством доктора Клауса Хабихта провела новаторскую работу. Совместно со специалистами по отбору проб HZB они разработали новый стержень для отбора проб модульной структуры, который можно вставлять в различные криомагниты. Головка образца измеряет тепловой эффект Холла с помощью емкостной термометрии. При этом используется температурная зависимость емкости специально изготовленных миниатюрных конденсаторов. С помощью этой установки экспертам удалось значительно снизить теплопередачу через датчики и электронику, а также ослабить сигналы помех и шум с помощью нескольких инноваций. Для проверки метода измерений они проанализировали образец титаната тербия, теплопроводность которого в различных направлениях кристалла под действием магнитного поля хорошо известна. Данные измерений находились в превосходном согласии с литературными.

Дальнейшее совершенствование метода измерения

«Способность разрешать разницу температур в субмиликельвиновом диапазоне меня очень очаровывает и является ключом к более подробному изучению квантовых материалов», — говорит первый автор, доктор Дэнни Койда. «Теперь мы совместно разработали сложную экспериментальную схему, четкие протоколы измерений и точные процедуры анализа, которые позволяют проводить измерения с высоким разрешением и воспроизводимостью». Руководитель отдела Клаус Хабихт добавляет: «Наша работа также дает информацию о том, как еще больше улучшить разрешение в будущих приборах, предназначенных для низких температур проб. Я хотел бы поблагодарить всех участников, особенно команду по созданию образцов. Я надеюсь, что экспериментальная установка будет прочно интегрирована в инфраструктуру HZB и что предложенные модернизации будут реализованы».

Перспективы: Топологические свойства фононов.

Группа Хабихта теперь будет использовать измерения теплового эффекта Холла для исследования топологических свойств колебаний решетки или фононов в квантовых материалах. «Микроскопические механизмы и физика процессов рассеяния теплового эффекта Холла в ионных кристаллах еще далеки от полного понимания. Интересный вопрос заключается в том, почему электрически нейтральные квазичастицы в немагнитных изоляторах тем не менее отклоняются в магнитном поле», — говорит Хабихт. Благодаря новому инструменту команда создала предпосылки для ответа на этот вопрос.

Ссылка: «Повышение точности тепловых измерений Холла для исследования новых материалов», Дэнни Койда, Ида Сигуш, Бастиан Клемке, Себастьян Геришер, Клаус Кифер, Катарина Фрич, Христо Гугущев и Клаус Хабихт, 22 декабря 2023 г., Материалы и дизайн.
DOI: 10.1016/j.matdes.2023.112595

Исходная ссылка

- Advertisement -

Популярное по теме