Uma equipe do HZB desenvolveu um novo método de medição que, pela primeira vez, detecta com precisão pequenas diferenças de temperatura na faixa de 100 microKelvin no efeito Hall térmico. Anteriormente, estas diferenças de temperatura não podiam ser medidas quantitativamente devido ao ruído térmico.



O estudo deles foi publicado em Materials &Design .

Usando o conhecido titanato de térbio como exemplo, a equipe demonstrou que o método fornece resultados altamente confiáveis. O efeito Hall térmico fornece informações sobre estados coerentes de múltiplas partículas em materiais quânticos com base em sua interação com vibrações de rede (fônons).

As leis da física quântica se aplicam a todos os materiais. No entanto, estas leis dão origem a propriedades particularmente incomuns nos chamados materiais quânticos. Por exemplo, campos magnéticos ou mudanças de temperatura podem causar excitações, estados coletivos ou quasipartículas que são acompanhadas por transições de fase para estados exóticos.

Isso pode ser utilizado de várias maneiras, desde que possa ser compreendido, gerenciado e controlado. Por exemplo, no futuro, tecnologias de informação que possam armazenar ou processar dados com requisitos mínimos de energia.

O efeito Hall térmico (THE) desempenha um papel fundamental na identificação de estados exóticos na matéria condensada. O efeito é baseado em pequenas diferenças transversais de temperatura que ocorrem quando uma corrente térmica passa através de uma amostra e um campo magnético perpendicular é aplicado.

Em particular, a medição quantitativa do efeito Hall térmico permite-nos separar as excitações exóticas do comportamento convencional. O efeito Hall térmico é observado em uma variedade de materiais, incluindo líquidos de spin, gelo de spin, fases parentais de supercondutores de alta temperatura e materiais com propriedades fortemente polares.

No entanto, as diferenças térmicas que ocorrem perpendicularmente ao gradiente de temperatura na amostra são extremamente pequenas:em amostras típicas de tamanho milimétrico, elas estão na faixa de microkelvins a milikelvins. Até agora, tem sido difícil detectar experimentalmente essas diferenças de calor porque o calor introduzido pela eletrônica de medição e pelos sensores mascara o efeito.

Um novo porta-amostras

A equipe liderada pelo PD Dr. Klaus Habicht realizou um trabalho pioneiro. Juntamente com especialistas do ambiente de amostras HZB, eles desenvolveram uma nova haste de amostra com uma estrutura modular que pode ser inserida em vários crioímãs. A cabeça da amostra mede o efeito Hall térmico usando termometria capacitiva.

Isso aproveita a dependência da temperatura da capacitância de capacitores miniatura especialmente fabricados. Com esta configuração, os especialistas conseguiram reduzir significativamente a transferência de calor através de sensores e componentes eletrônicos e atenuar sinais de interferência e ruído com diversas inovações.

Para validar o método de medição, eles analisaram uma amostra de titanato de térbio, cuja condutividade térmica em diferentes direções do cristal sob um campo magnético é bem conhecida. Os dados medidos estavam em excelente concordância com a literatura.

Melhorias adicionais no método de medição

“A capacidade de resolver diferenças de temperatura na faixa submilikelvin me fascina muito e é a chave para estudar materiais quânticos com mais detalhes”, diz o primeiro autor, Dr. Danny Kojda. "Desenvolvemos agora em conjunto um projeto experimental sofisticado, protocolos de medição claros e procedimentos de análise precisos que permitem medições reprodutíveis e de alta resolução."

O chefe do departamento, Klaus Habicht, acrescenta:"Nosso trabalho também fornece informações sobre como melhorar ainda mais a resolução em futuros instrumentos projetados para baixas temperaturas de amostra. Gostaria de agradecer a todos os envolvidos, especialmente à equipe de ambiente de amostra. Espero que a configuração experimental seja firmemente integrado na infraestrutura do HZB e que as atualizações propostas serão implementadas."

O grupo de Habicht usará agora medições do efeito Hall térmico para investigar as propriedades topológicas de vibrações de rede ou fônons em materiais quânticos.

"Os mecanismos microscópicos e a física dos processos de dispersão para o efeito Hall térmico em cristais iônicos estão longe de ser totalmente compreendidos. A questão interessante é por que as quasipartículas eletricamente neutras em isoladores não magnéticos são, no entanto, desviadas no campo magnético, "diz Habicht . Com o novo instrumento, a equipa criou agora os pré-requisitos para responder a esta questão.

Mais informações: Danny Kojda et al, Avanço na precisão das medições térmicas de Hall para pesquisa de novos materiais, Materiais e Design (2023). DOI:10.1016/j.matdes.2023.112595
Fornecido pela Associação Helmholtz de Centros de Pesquisa Alemães