Højere målenøjagtighed åbner et nyt vindue til kvanteverdenen
Et team hos HZB har udviklet en ny målemetode, der for første gang nøjagtigt registrerer små temperaturforskelle i området 100 mikrokelvin i den termiske Hall-effekt. Tidligere kunne disse temperaturforskelle ikke måles kvantitativt på grund af termisk støj.
Deres undersøgelse er offentliggjort i Materials &Design .
Ved at bruge det velkendte terbiumtitanat som eksempel demonstrerede holdet, at metoden giver meget pålidelige resultater. Den termiske Hall-effekt giver information om sammenhængende multipartikeltilstande i kvantematerialer baseret på deres interaktion med gittervibrationer (fononer).
Kvantefysikkens love gælder for alle materialer. Disse love giver dog anledning til særligt usædvanlige egenskaber i såkaldte kvantematerialer. For eksempel kan magnetiske felter eller ændringer i temperatur forårsage excitationer, kollektive tilstande eller kvasipartikler, der er ledsaget af faseovergange til eksotiske tilstande.
Dette kan bruges på en række forskellige måder, forudsat at det kan forstås, styres og kontrolleres. For eksempel i fremtiden informationsteknologier, der kan lagre eller behandle data med minimalt energibehov.
Den termiske Hall-effekt (THE) spiller en nøglerolle i at identificere eksotiske tilstande i kondenseret stof. Effekten er baseret på små tværgående temperaturforskelle, der opstår, når en termisk strøm føres gennem en prøve, og et vinkelret magnetfelt påføres.
Især giver den kvantitative måling af den termiske Hall-effekt os mulighed for at adskille de eksotiske excitationer fra konventionel adfærd. Den termiske Hall-effekt observeres i en række forskellige materialer, herunder spin-væsker, spin-is, moderfaser af højtemperatur-superledere og materialer med stærkt polære egenskaber.
Imidlertid er de termiske forskelle, der forekommer vinkelret på temperaturgradienten i prøven, ekstremt små:i typiske millimeterstore prøver er de i området fra mikrokelvin til millikelvin. Indtil nu har det været svært at opdage disse varmeforskelle eksperimentelt, fordi varmen, der indføres af måleelektronikken og sensorerne, maskerer effekten.
En ny prøveholder
Holdet ledet af PD Dr. Klaus Habicht har nu udført pionerarbejde. Sammen med specialister fra HZB prøvemiljøet har de udviklet en ny prøvestav med en modulær struktur, der kan indsættes i forskellige kryomagneter. Prøvehovedet måler den termiske Hall-effekt ved hjælp af kapacitiv termometri.
Dette udnytter temperaturafhængigheden af kapacitansen af specialfremstillede miniaturekondensatorer. Med dette setup er det lykkedes eksperterne at reducere varmeoverførslen gennem sensorer og elektronik markant og at dæmpe interferenssignaler og støj med adskillige innovationer.
For at validere målemetoden analyserede de en prøve af terbiumtitanat, hvis termiske ledningsevne i forskellige krystalretninger under et magnetfelt er velkendt. De målte data var i fremragende overensstemmelse med litteraturen.
Yderligere forbedring af målemetoden
"Evnen til at løse temperaturforskelle i sub-millikelvin-området fascinerer mig meget og er en nøgle til at studere kvantematerialer mere detaljeret," siger førsteforfatter Dr. Danny Kojda. "Vi har nu i fællesskab udviklet et sofistikeret eksperimentelt design, klare måleprotokoller og præcise analyseprocedurer, der tillader høj opløsning og reproducerbare målinger."
Afdelingsleder Klaus Habicht tilføjer:"Vores arbejde giver også information om, hvordan man yderligere kan forbedre opløsningen i fremtidige instrumenter designet til lave prøvetemperaturer. Jeg vil gerne takke alle involverede, især prøvemiljøteamet. Jeg håber, at den eksperimentelle opsætning vil være fast. integreret i HZB-infrastrukturen, og at de foreslåede opgraderinger vil blive implementeret."
Habichts gruppe vil nu bruge målinger af den termiske Hall-effekt til at undersøge de topologiske egenskaber af gittervibrationer eller fononer i kvantematerialer.
"De mikroskopiske mekanismer og fysikken i spredningsprocesserne for den termiske Hall-effekt i ionkrystaller er langt fra fuldt ud forstået. Det spændende spørgsmål er, hvorfor elektrisk neutrale kvasipartikler i ikke-magnetiske isolatorer alligevel afbøjes i magnetfeltet," siger Habicht. . Med det nye instrument har teamet nu skabt forudsætningerne for at besvare dette spørgsmål.
Flere oplysninger: Danny Kojda et al., Fremme præcisionen af termiske Hall-målinger til forskning i nye materialer, Materials &Design (2023). DOI:10.1016/j.matdes.2023.112595
Leveret af Helmholtz Association of German Research Centres
Varme artikler
-
Fysikere tager et stort skridt i nanolaser -designNanolaser test. Kredit:@tsarcyanide/MIPT Lasere bruges meget i husholdningsapparater, medicin, industri, telekommunikation og mere. For flere år siden, forskere introducerede nanolasere. Deres des -
Verdens hurtigste 3-D tomografiske billeder rapporteret på BESSY IIGranulat af aluminium (grå) bliver til et metallisk skum ved opvarmning. Tomgrafierne dokumenterer udviklingen af porer med tiden. Kredit:HZB Et HZB-team har udviklet et genialt præcisionsdrejeb -
En samlet teori forklarer to karakteristiske træk ved frustrerede magneterVenstre paneler:Spin (atommagnet) konfigurationer, der respekterer (nederste panel) og overtræder (øvre panel) bevaringsloven. Højre paneler:De tilsvarende neutronspredninger for de to situationer:3D -
Den næste generation af informationsbehandling er gennem sammenhængende portoperationerNy metode til informationsbehandling:Den sammenhængende informationsudveksling (sorte bølgende linjer) mellem magnoner (skraveret rødt område) og mikrobølgefotoner (skraveret blå område) styres ved at
- Volumen Vs. Vægt af vand
- De sultne insekter, der bekæmper Ugandas gødningskrise
- Facebooks Zuckerberg ser langt på nytårsforsætter
- Nøgle fosforbaseret molekyle for liv på Jorden kan være kommet fra rummet
- Fjernovervågning kan øge brugen af naturbaserede løsninger for at sikre mod naturlige farer
- Facebook gør, Ja, ønsker at spore dine opkald på enheden