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