Science >> Wetenschap >  >> Fysica

Hogere meetnauwkeurigheid opent een nieuw venster naar de kwantumwereld

Verschillende innovaties in het nieuwe monsterstaafje inclusief monsterhouder maken temperatuurmetingen met de hoogste precisie mogelijk. Credit:D. Kojda/HZB

Een team van HZB heeft een nieuwe meetmethode ontwikkeld die voor het eerst kleine temperatuurverschillen in het bereik van 100 microKelvin nauwkeurig detecteert in het thermische Hall-effect. Voorheen konden deze temperatuurverschillen niet kwantitatief worden gemeten vanwege thermische ruis.



Hun onderzoek is gepubliceerd in Materials &Design .

Met het bekende terbiumtitanaat als voorbeeld toonde het team aan dat de methode zeer betrouwbare resultaten oplevert. Het thermische Hall-effect biedt informatie over coherente toestanden van meerdere deeltjes in kwantummaterialen op basis van hun interactie met roostertrillingen (fononen).

De wetten van de kwantumfysica zijn op alle materialen van toepassing. Deze wetten geven echter aanleiding tot bijzonder ongebruikelijke eigenschappen in zogenaamde kwantummaterialen. Magnetische velden of temperatuurveranderingen kunnen bijvoorbeeld excitaties, collectieve toestanden of quasideeltjes veroorzaken die gepaard gaan met faseovergangen naar exotische toestanden.

Dit kan op verschillende manieren worden gebruikt, op voorwaarde dat het kan worden begrepen, beheerd en gecontroleerd. In de toekomst bijvoorbeeld informatietechnologieën die gegevens kunnen opslaan of verwerken met minimale energievereisten.

Het thermische Hall-effect (THE) speelt een sleutelrol bij het identificeren van exotische toestanden in gecondenseerde materie. Het effect is gebaseerd op kleine transversale temperatuurverschillen die optreden wanneer een thermische stroom door een monster wordt geleid en een loodrecht magnetisch veld wordt aangelegd.

In het bijzonder stelt de kwantitatieve meting van het thermische Hall-effect ons in staat de exotische excitaties te scheiden van conventioneel gedrag. Het thermische Hall-effect wordt waargenomen in een verscheidenheid aan materialen, waaronder spinvloeistoffen, spinijs, moederfasen van supergeleiders bij hoge temperaturen en materialen met sterk polaire eigenschappen.

De thermische verschillen die loodrecht op de temperatuurgradiënt in het monster optreden, zijn echter extreem klein:in typische monsters van millimetergrootte liggen ze in het bereik van microkelvin tot millikelvin. Tot nu toe was het moeilijk om deze warmteverschillen experimenteel te detecteren, omdat de warmte die door de meetelektronica en sensoren wordt geïntroduceerd het effect maskeert.

Het thermische Hall-effect resulteert in een zeer klein transversaal temperatuurverschil, indien een longitudinaal temperatuurverschil wordt toegepast. Het magnetische veld dringt verticaal door het monster. Credit:D. Kojda/HZB

Een nieuwe monsterhouder

Het team onder leiding van PD Dr. Klaus Habicht heeft inmiddels baanbrekend werk verricht. Samen met specialisten uit de HZB-monsteromgeving hebben zij een nieuw monsterstaafje ontwikkeld met een modulaire opbouw dat in verschillende cryomagneten kan worden geplaatst. De monsterkop meet het thermische Hall-effect met behulp van capacitieve thermometrie.

Dit maakt gebruik van de temperatuurafhankelijkheid van de capaciteit van speciaal vervaardigde miniatuurcondensatoren. Met deze opstelling zijn de experts erin geslaagd de warmteoverdracht via sensoren en elektronica aanzienlijk te verminderen en stoorsignalen en ruis te dempen met verschillende innovaties.

Om de meetmethode te valideren, analyseerden ze een monster terbiumtitanaat, waarvan de thermische geleidbaarheid in verschillende kristalrichtingen onder een magnetisch veld algemeen bekend is. De gemeten gegevens kwamen uitstekend overeen met de literatuur.

Verdere verbetering van de meetmethode

"Het vermogen om temperatuurverschillen in het sub-millikelvin-bereik op te lossen fascineert mij enorm en is een sleutel tot het gedetailleerder bestuderen van kwantummaterialen", zegt eerste auteur Dr. Danny Kojda. "We hebben nu gezamenlijk een geavanceerd experimenteel ontwerp, duidelijke meetprotocollen en nauwkeurige analyseprocedures ontwikkeld die reproduceerbare metingen met hoge resolutie mogelijk maken."

Afdelingshoofd Klaus Habicht voegt hieraan toe:"Ons werk biedt ook informatie over hoe we de resolutie verder kunnen verbeteren in toekomstige instrumenten die zijn ontworpen voor lage monstertemperaturen. Ik wil graag alle betrokkenen bedanken, vooral het monsteromgevingsteam. Ik hoop dat de experimentele opstelling stevig zal zijn geïntegreerd in de HZB-infrastructuur en dat de voorgestelde upgrades zullen worden geïmplementeerd."

De groep van Habicht zal nu metingen van het thermische Hall-effect gebruiken om de topologische eigenschappen van roostertrillingen of fononen in kwantummaterialen te onderzoeken.

"De microscopische mechanismen en de fysica van de verstrooiingsprocessen voor het thermische Hall-effect in ionische kristallen zijn nog lang niet volledig begrepen. De opwindende vraag is waarom elektrisch neutrale quasideeltjes in niet-magnetische isolatoren toch worden afgebogen in het magnetische veld", zegt Habicht . Met het nieuwe instrument heeft het team nu de voorwaarden geschapen om deze vraag te beantwoorden.

Meer informatie: Danny Kojda et al., De precisie van thermische Hall-metingen bevorderen voor onderzoek naar nieuwe materialen, Materialen en ontwerp (2023). DOI:10.1016/j.matdes.2023.112595

Aangeboden door Helmholtz Vereniging van Duitse Onderzoekscentra




Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. De ontdekking van een atypische hitteschokfactor, HSF5, die betrokken is bij meiotische mechanismen, heeft implicaties voor mannelijke onvruchtbaarheid
  2. Hoe Punnett Squares
  3. Wat is een regeling in de microbiologie?
  4. Wetenschappers identificeren het verband tussen licht en chloroplastontwikkeling
  5. Een nieuwe manier om mRNA-genomen af ​​te leveren:nucleocapsiden met evolutionaire eigenschappen
  6. Wat zit er in je wiet? Het zal je misschien verbazen
  7. Diversiteit van grote dieren speelt een belangrijke rol in koolstofcyclus
  8. Chimerisme:je kunt je eigen tweeling zijn
  9. Arctisch, grote visserslanden zijn het erover eens dat er niet gevist wordt in het noordpoolgebied, voor nu

Wetenschap