Un team dell’HZB ha sviluppato un nuovo metodo di misurazione che, per la prima volta, rileva con precisione piccole differenze di temperatura nell’ordine di 100 microKelvin nell’effetto Hall termico. In precedenza, queste differenze di temperatura non potevano essere misurate quantitativamente a causa del rumore termico.
Il loro studio è pubblicato su Materials &Design .
Utilizzando come esempio il noto titanato di terbio, il team ha dimostrato che il metodo fornisce risultati altamente affidabili. L'effetto Hall termico fornisce informazioni sugli stati multiparticellari coerenti nei materiali quantistici in base alla loro interazione con le vibrazioni reticolari (fononi).
Le leggi della fisica quantistica si applicano a tutti i materiali. Tuttavia, queste leggi danno origine a proprietà particolarmente insolite nei cosiddetti materiali quantistici. Ad esempio, i campi magnetici o i cambiamenti di temperatura possono causare eccitazioni, stati collettivi o quasiparticelle accompagnate da transizioni di fase verso stati esotici.
Questo può essere utilizzato in vari modi, a condizione che possa essere compreso, gestito e controllato. Ad esempio, in futuro, tecnologie informatiche in grado di archiviare o elaborare dati con un fabbisogno energetico minimo.
L'effetto Hall termico (THE) gioca un ruolo chiave nell'identificazione degli stati esotici nella materia condensata. L'effetto si basa su minuscole differenze di temperatura trasversale che si verificano quando una corrente termica viene fatta passare attraverso un campione e viene applicato un campo magnetico perpendicolare.
In particolare, la misura quantitativa dell'effetto Hall termico permette di separare le eccitazioni esotiche dal comportamento convenzionale. L'effetto Hall termico viene osservato in una varietà di materiali, inclusi liquidi di spin, ghiaccio di spin, fasi madri di superconduttori ad alta temperatura e materiali con proprietà fortemente polari.
Tuttavia, le differenze termiche che si verificano perpendicolarmente al gradiente di temperatura nel campione sono estremamente piccole:nei campioni tipici di dimensioni millimetriche, sono nell'intervallo da microkelvin a millikelvin. Fino ad ora è stato difficile rilevare sperimentalmente queste differenze di calore perché il calore introdotto dall'elettronica di misurazione e dai sensori ne maschera l'effetto.
Un nuovo portacampioni
Il team guidato dal Dr. PD Klaus Habicht ha ora svolto un lavoro pionieristico. Insieme agli specialisti dell'ambiente di campionamento HZB, hanno sviluppato una nuova barra di campionamento con una struttura modulare che può essere inserita in vari criomagneti. La testa del campione misura l'effetto Hall termico utilizzando la termometria capacitiva.
Ciò sfrutta la dipendenza dalla temperatura della capacità di condensatori miniaturizzati appositamente prodotti. Con questa configurazione, gli esperti sono riusciti a ridurre significativamente il trasferimento di calore attraverso sensori ed elettronica e ad attenuare i segnali di interferenza e il rumore con diverse innovazioni.
Per convalidare il metodo di misurazione, hanno analizzato un campione di titanato di terbio, la cui conduttività termica in diverse direzioni cristalline sotto un campo magnetico è ben nota. I dati misurati erano in ottimo accordo con la letteratura.
"La capacità di risolvere le differenze di temperatura nell'intervallo sub-millikelvin mi affascina molto ed è una chiave per studiare i materiali quantistici in modo più dettagliato", afferma il primo autore, il dottor Danny Kojda. "Ora abbiamo sviluppato congiuntamente un sofisticato disegno sperimentale, protocolli di misurazione chiari e procedure di analisi precise che consentono misurazioni riproducibili e ad alta risoluzione."
Il capo del dipartimento Klaus Habicht aggiunge:"Il nostro lavoro fornisce anche informazioni su come migliorare ulteriormente la risoluzione nei futuri strumenti progettati per basse temperature del campione. Vorrei ringraziare tutti i soggetti coinvolti, in particolare il team dell'ambiente del campione. Spero che l'impostazione sperimentale sarà fermamente integrato nell'infrastruttura HZB e che gli aggiornamenti proposti verranno implementati."
Il gruppo di Habicht utilizzerà ora le misurazioni dell'effetto Hall termico per studiare le proprietà topologiche delle vibrazioni reticolari o dei fononi nei materiali quantistici.
"I meccanismi microscopici e la fisica dei processi di diffusione per l'effetto Hall termico nei cristalli ionici sono lungi dall'essere completamente compresi. La domanda interessante è perché le quasiparticelle elettricamente neutre negli isolanti non magnetici vengono tuttavia deviate nel campo magnetico", afferma Habicht . Con il nuovo strumento, il team ha ora creato i prerequisiti per rispondere a questa domanda.
Ulteriori informazioni: Danny Kojda et al, Miglioramento della precisione delle misurazioni di Hall termiche per la ricerca sui nuovi materiali, Materiali e design (2023). DOI:10.1016/j.matdes.2023.112595
Fornito dall'Associazione Helmholtz dei centri di ricerca tedeschi
