更高的测量精度打开了量子世界的新窗口

以著名的钛酸铽为例，该团队证明了该方法可以提供高度可靠的结果。热霍尔效应基于量子材料与晶格振动(声子)的相互作用，提供了有关量子材料中相干多粒子状态的信息。

HZB大学的一个团队开发了一种新的测量方法，首次精确地检测出热霍尔效应中100微开尔文范围内的微小温差。

以前，由于热噪声的影响，这些温差无法定量测量。

以著名的钛酸铽为例，该团队证明了该方法可以提供高度可靠的结果。

热霍尔效应基于量子材料与晶格振动(声子)的相互作用，提供了有关量子材料中相干多粒子状态的信息。

量子物理定律适用于所有材料。然而，在所谓的量子材料中，这些定律产生了特别不寻常的特性。

例如，磁场或温度变化会导致激发、集体状态或准粒子，并伴随着向奇异状态的相变。

只要能被理解、管理和控制，这种技术可以以多种方式加以利用:例如，在未来的信息技术中，可以以最低的能源需求存储或处理数据。

热霍尔效应(The)在识别凝聚态中的奇异态方面起着关键作用。

这种效应是基于热流通过样品并施加垂直磁场时产生的微小横向温差。

特别是，热霍尔效应的定量测量允许从常规行为中分离外来激励。

在各种材料中都观察到了热霍尔效应，包括自旋液体、自旋冰、高温超导体的母相和具有强极性的材料。

然而，垂直于样品中温度梯度的温差极小:在典型的毫米级样品中，温差在微开尔文到毫开尔文的范围内。

到目前为止，很难通过实验来检测这些热差异，因为测量电子设备和传感器引入的热量掩盖了这种影响。

一种新型样品架

PD Klaus Habicht博士领导的团队现在已经开展了开创性的工作。

他们与HZB样品环境的专家一起开发了一种新型的模块化结构样品棒，可以插入各种低温磁体中。

样品头使用电容测温法测量热霍尔效应。

这利用了特殊制造的微型电容器的电容的温度依赖性。

通过这种设置，专家们成功地显著减少了通过传感器和电子设备的热传递，并通过多项创新削弱了干扰信号和噪声。

为了验证测量方法，他们分析了钛酸铽的样品，其在磁场下不同晶向的热导率是众所周知的。

测量数据与文献非常吻合。

测量方法的进一步改进

“在亚毫开尔文范围内解决温度差异的能力使我非常着迷，这是更详细研究量子材料的关键，”第一作者丹尼·科伊达博士说。

“我们现在共同开发了一种复杂的实验设计、清晰的测量协议和精确的分析程序，从而实现高分辨率和可重复的测量。”部门负责人Klaus Habicht补充说:“我们的工作还提供了如何进一步提高未来低样品温度仪器分辨率的信息。我要感谢所有参与其中的人，尤其是样本环境团队。我希望实验装置能够牢固地集成到HZB的基础设施中，并实施建议的升级。”

展望:声子的拓扑性质

哈比希特的小组现在将利用对热霍尔效应的测量来研究量子材料中晶格振动或声子的拓扑性质。“离子晶体中热霍尔效应的微观机制和散射过程的物理学还远未被完全理解。哈比希特说:“令人兴奋的问题是，为什么非磁性绝缘体中的电中性准粒子在磁场中仍然会发生偏转。”有了新仪器，团队现在已经为回答这个问题创造了先决条件。

来源: Materials provided by Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie.
注明: Content may be edited for style and length. Journal Reference: Danny Kojda, Ida Sigusch, Bastian Klemke, Sebastian Gerischer, Klaus Kiefer, Katharina Fritsch, Christo Guguschev, Klaus Habicht. Advancing the precision of thermal Hall measurements for novel materials research. Materials & Design, 2024; 237: 112595 DOI: 10.1016/j.matdes.2023.112595