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

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...

Physical Review Letters: Открыт материал с большим невзаимным поглощением света
Physical Review Letters: Открыт материал с большим невзаимным поглощением света

В основе глобальной интернет-связи лежит оптич...

Applied Surface Science: Открыт путь к мемристорам нового поколения
Applied Surface Science: Открыт путь к мемристорам нового поколения

Мемристорные устройства представляют собой кат...

Frontiers of Optoelectronics: Прогресс в области двумерных полупроводников
Frontiers of Optoelectronics: Прогресс в области двумерных полупроводников

Замещающее легирование чужеродными элементами ...

Поиск на сайте

Знатоки клуба инноваций


ТОП - Новости мира, инновации

Исследователи изучают влияние сольватации и валентности ионов на металлополимеры
Исследователи изучают влияние сольватации и валентности ионов на металлополимеры
New Phytologist: Сети прожилок на листьях появились 201 млн лет назад
New Phytologist: Сети прожилок на листьях появились 201 млн лет назад
ACS Nano: Зубы нутрий и бобров помогут ученым вывести формулу совершенной эмали
ACS Nano: Зубы нутрий и бобров помогут ученым вывести формулу совершенной эмали
«Литнет» выяснил, что привлекает читателей в книгах о космосе
«Литнет» выяснил, что привлекает читателей в книгах о космосе
EGU: В золоте дураков все-таки нашли ценный компонент
EGU: В золоте дураков все-таки нашли ценный компонент
Инженеры воссоздали голопалубу Star Trek с помощью ChatGPT и видеоигр
Инженеры воссоздали голопалубу Star Trek с помощью ChatGPT и видеоигр
New England Journal of Medicine: Упреждающая ангиопластика не улучшает прогноз
New England Journal of Medicine: Упреждающая ангиопластика не улучшает прогноз
Инженеры создают более выгодную сеть для распределения солнечной энергии
Инженеры создают более выгодную сеть для распределения солнечной энергии
IC: Исследователи тестируют биологическую безвредность нейроморфной сети
IC: Исследователи тестируют биологическую безвредность нейроморфной сети
JSPR: Между кортизолом и социальной поддержкой в семейных парах нашли связь
JSPR: Между кортизолом и социальной поддержкой в семейных парах нашли связь
GBE: ДНК древних пингвинов Адели выявило повторы возрастом сотни миллионов лет
GBE: ДНК древних пингвинов Адели выявило повторы возрастом сотни миллионов лет
Шёнингенские копья доказали: 300 000 лет назад древесина была важнейшим сырьем
Шёнингенские копья доказали: 300 000 лет назад древесина была важнейшим сырьем
Molecular Psychiatry: Выяснилось, как изменение экспрессии генов вызывает аутизм
Molecular Psychiatry: Выяснилось, как изменение экспрессии генов вызывает аутизм
NatComm: Машинное обучение поможет создать вертикально-осевые ветряные турбины
NatComm: Машинное обучение поможет создать вертикально-осевые ветряные турбины
Acta Biomaterialia: Созданы трансплантаты, похожие на реальное человеческое ухо
Acta Biomaterialia: Созданы трансплантаты, похожие на реальное человеческое ухо

Новости компаний, релизы

НАИРИТ объявит итоги Всероссийского инновационного конкурса 21 февраля
НАИРИТ объявит итоги Всероссийского инновационного конкурса 21 февраля
«Инструменты инновационного развития»
«Инструменты инновационного развития»
3 причины перехода с печатной рекламы на цифровую
3 причины перехода с печатной рекламы на цифровую
Виды резервирования серверов для задач АСУ ТП
Виды резервирования серверов для задач АСУ ТП
Выбор клиники и лечащего врача с помощью специализированного сервиса
Выбор клиники и лечащего врача с помощью специализированного сервиса