Создан новый держатель образцов для измерения температур в сверхмалом диапазоне

Группа специалистов из Helmholtz-Zentrum Berlin разработала новый метод измерения, который впервые точно определяет крошечную разницу температур в диапазоне 100 микрокельвинов в тепловом эффекте Холла.

Ранее эти температурные различия нельзя было измерить количественно из-за теплового шума. На примере хорошо известного титаната тербия команда продемонстрировала, что новый метод обеспечивает высоконадежные результаты.

Тепловой эффект Холла дает информацию о когерентных многочастичных состояниях в квантовых материалах, основанных на их взаимодействии с колебаниями решетки (фононами).

Законы квантовой физики применимы ко всем материалам. Однако в так называемых квантовых материалах эти законы приводят к появлению поистине необычных свойств. Например, магнитные поля или изменения температуры могут вызывать возбуждения, коллективные состояния или квазичастицы, которые сопровождаются фазовыми переходами в экзотические состояния. При условии понимания, управления и контроля эти свойства можно использовать по-разному: Например, в будущих информационных технологиях, способных хранить или обрабатывать данные с минимальными затратами энергии.

Тепловой эффект Холла (ТЭХ) играет ключевую роль в выявлении экзотических состояний в конденсированном веществе. Эффект основан на крошечной поперечной разнице температур, возникающей при пропускании теплового тока через образец и приложении перпендикулярного магнитного поля. В частности, количественное измерение теплового эффекта Холла позволяет отделить экзотические возбуждения от обычного поведения.

Тепловой эффект Холла наблюдается в самых разных материалах, включая спиновые жидкости, спиновый лед, родительские фазы высокотемпературных сверхпроводников и материалы с сильно полярными свойствами. Однако тепловые 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, вносимое измерительной электроникой и датчиками, маскирует этот эффект.

Новый держатель для образцов

Команда под руководством доктора философии Клауса Хабихта провела новаторскую работу. Совместно со специалистами из отдела образцов HZB они разработали новый держатель образцов с модульной структурой, 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 помехи и шумы с помощью нескольких инноваций. Для проверки метода измерения они проанализировали образец титаната тербия, теплопроводность которого в различных направлениях кристалла под действием магнитного поля хорошо известна. Измеренные данные оказались в отличном согласии с литературными данными.

Дальнейшее совершенствование метода измерения

Возможность определения разницы температур в субмилликельвиновом диапазоне меня очень восхищает и является ключом к более детальному изучению квантовых материалов, — говорит первый автор работы доктор Дэнни Койда.

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, рассчитанных на низкие температуры образцов. Я хотел бы поблагодарить всех, кто принимал участие в работе, особенно команду по работе с образцами. Я надеюсь, что экспериментальная установка будет прочно интегрирована в инфраструктуру HZB и предложенные обновления будут реализованы.

Перспективы: Топологические свойства фононов

Теперь группа Хабихта будет использовать измерения теплового эффекта Холла для изучения топологических свойств колебаний решетки или фононов в квантовых материалах.

Микроскопические механизмы и физика процессов рассеяния для теплового эффекта Холла в ионных кристаллах еще далеко не полностью изучены. Волнующий вопрос заключается в том, почему электрически нейтральные квазичастицы в немагнитных изоляторах, тем не менее, отклоняются в магнитном поле, — говорит Хабихт.

С помощью нового прибора команда создала предпосылки для ответа на этот вопрос.

17.01.2024


Подписаться в Telegram



Хайтек

Physical Review Letters: Ученые описали альтернативный магнетизм
Physical Review Letters: Ученые описали альтернативный магнетизм

Магнитные материалы традиционно классифицируют...

Nature: Международная группа ученых решает сложную физическую задачу
Nature: Международная группа ученых решает сложную физическую задачу

Сильно взаимодействующие системы играют важную...

В MIT разрабатывают бытовых роботов, наделенных здравым смыслом
В MIT разрабатывают бытовых роботов, наделенных здравым смыслом

С помощью большой языковой модели инженеры Мас...

Nature Communications: Открыто революционное явление в жидких кристаллах
Nature Communications: Открыто революционное явление в жидких кристаллах

Исследовательская группа, работающая в UN...

Physical Review Applied: Ниобий воскресили для квантовых технологий
Physical Review Applied: Ниобий воскресили для квантовых технологий

Когда речь заходит о сверхпроводящих куби...

Nature Communications: Совершен прорыв в создании квантовых материалов
Nature Communications: Совершен прорыв в создании квантовых материалов

Исследователи из Калифорнийского универси...

PNAS: Клеточный каркас разобрали на микроскопические пути
PNAS: Клеточный каркас разобрали на микроскопические пути

Исследователи из Принстона применили спле...

Детекторы космических лучей для TAIGA- Muon запустят в серию в ТПУ
Детекторы космических лучей для TAIGA- Muon запустят в серию в ТПУ

Ученые из Томского политехнического униве...

Поиск на сайте

Знатоки клуба инноваций


ТОП - Новости мира, инновации

35% переболевших коронавирусом в течение года столкнулись с ухудшением здоровья
35% переболевших коронавирусом в течение года столкнулись с ухудшением здоровья
Science Immunology: Воспаление мозга вызывает мышечную слабость после инфекций
Science Immunology: Воспаление мозга вызывает мышечную слабость после инфекций
Acta Biomaterialia: Гидрогель поможет понять механизм развития Альцгеймера
Acta Biomaterialia: Гидрогель поможет понять механизм развития Альцгеймера
CSAA: Как восстановить мир в городе после конфликта — проблемы и перспективы
CSAA: Как восстановить мир в городе после конфликта — проблемы и перспективы
Новая технология фотоэлектрических модулей оптимизирована для городских условий
Новая технология фотоэлектрических модулей оптимизирована для городских условий
Nature Ecology & Evolution: Всеобщий предок LUCA оказался старше, чем считалось
Nature Ecology & Evolution: Всеобщий предок LUCA оказался старше, чем считалось
ИИ лучше клинических тестов справился с прогнозом течения болезни Альцгеймера
ИИ лучше клинических тестов справился с прогнозом течения болезни Альцгеймера
International Journal of Hydrogen Energy: К 2045 году будем летать на водороде
International Journal of Hydrogen Energy: К 2045 году будем летать на водороде
IEEE Access: Ученые открыли доступ к данным о работе электрических сетей
IEEE Access: Ученые открыли доступ к данным о работе электрических сетей
Нанопластики нарушают структуру и функциональность белков в грудном молоке
Нанопластики нарушают структуру и функциональность белков в грудном молоке
Cell: Впервые восстановлена трёхмерная структура хромосом шерстистого мамонта
Cell: Впервые восстановлена трёхмерная структура хромосом шерстистого мамонта
Nature Neuroscience: Ученые доказали, что терпение приносит свои плоды
Nature Neuroscience: Ученые доказали, что терпение приносит свои плоды
Познакомьтесь со странной амфибией, которая выкармливает своих детенышей молоком
Познакомьтесь со странной амфибией, которая выкармливает своих детенышей молоком
Вдохновились Дюной: Модификация скафандров позволит перерабатывать мочу в воду
Вдохновились Дюной: Модификация скафандров позволит перерабатывать мочу в воду
В 40% случаев люди ошибочно называют сгенерированное фото человека реальным
В 40% случаев люди ошибочно называют сгенерированное фото человека реальным

Новости компаний, релизы

Ведущие игроки агрорынка представят новинки на «Дне поля» в Агробиотехнопарке Казанского ГАУ
Межсетевой экран защитит компьютерные системы от киберугроз
Университет МИСИС будет готовить специалистов в сфере квантовых технологий
В Нижнем Новгороде проходит Шестой «ЯлФест-2024»
В ВГУВТ будут готовить уникальных специалистов на стыке инженерии и экономики для развития водного транспорта