Un equipo de HZB ha desarrollado un nuevo método de medición que, por primera vez, detecta con precisión pequeñas diferencias de temperatura en el rango de 100 microKelvin en el efecto Hall térmico. Hasta ahora estas diferencias de temperatura no se podían medir cuantitativamente debido al ruido térmico.
Su estudio se publica en Materials &Design .
Utilizando el conocido titanato de terbio como ejemplo, el equipo demostró que el método ofrece resultados muy fiables. El efecto Hall térmico proporciona información sobre los estados coherentes de múltiples partículas en materiales cuánticos en función de su interacción con las vibraciones de la red (fonones).
Las leyes de la física cuántica se aplican a todos los materiales. Sin embargo, estas leyes dan lugar a propiedades particularmente inusuales en los llamados materiales cuánticos. Por ejemplo, los campos magnéticos o los cambios de temperatura pueden provocar excitaciones, estados colectivos o cuasipartículas que van acompañados de transiciones de fase a estados exóticos.
Esto se puede utilizar de diversas maneras, siempre que se pueda comprender, gestionar y controlar. Por ejemplo, en el futuro, tecnologías de la información que puedan almacenar o procesar datos con requisitos mínimos de energía.
El efecto Hall térmico (THE) juega un papel clave en la identificación de estados exóticos en la materia condensada. El efecto se basa en pequeñas diferencias de temperatura transversales que se producen cuando se hace pasar una corriente térmica a través de una muestra y se aplica un campo magnético perpendicular.
En particular, la medición cuantitativa del efecto Hall térmico nos permite separar las excitaciones exóticas del comportamiento convencional. El efecto Hall térmico se observa en una variedad de materiales, incluidos líquidos de espín, hielo de espín, fases originales de superconductores de alta temperatura y materiales con propiedades fuertemente polares.
Sin embargo, las diferencias térmicas que se producen perpendicularmente al gradiente de temperatura en la muestra son extremadamente pequeñas:en muestras típicas de tamaño milimétrico, están en el rango de microkelvins a milikelvins. Hasta ahora era difícil detectar experimentalmente estas diferencias de calor porque el calor introducido por la electrónica de medición y los sensores enmascara el efecto.
Un portamuestras novedoso
El equipo dirigido por el Dr. Klaus Habicht ha llevado a cabo un trabajo pionero. Junto con especialistas del entorno de muestras de HZB, han desarrollado una nueva varilla de muestra con una estructura modular que se puede insertar en varios crioimanes. El cabezal de muestra mide el efecto Hall térmico mediante termometría capacitiva.
Esto aprovecha la dependencia de la temperatura de la capacitancia de los condensadores en miniatura especialmente fabricados. Con esta configuración, los expertos han logrado reducir significativamente la transferencia de calor a través de sensores y componentes electrónicos y atenuar las señales de interferencia y el ruido con varias innovaciones.
Para validar el método de medición, analizaron una muestra de titanato de terbio, cuya conductividad térmica en diferentes direcciones del cristal bajo un campo magnético es bien conocida. Los datos medidos coincidieron excelentemente con la literatura.
"La capacidad de resolver diferencias de temperatura en el rango submilikelvin me fascina enormemente y es clave para estudiar materiales cuánticos con más detalle", dice el primer autor, el Dr. Danny Kojda. "Ahora hemos desarrollado conjuntamente un diseño experimental sofisticado, protocolos de medición claros y procedimientos de análisis precisos que permiten mediciones reproducibles y de alta resolución".
El jefe del departamento, Klaus Habicht, añade:"Nuestro trabajo también proporciona información sobre cómo mejorar aún más la resolución en futuros instrumentos diseñados para temperaturas de muestra bajas. Me gustaría agradecer a todos los involucrados, especialmente al equipo de entorno de muestra. Espero que la configuración experimental sea sólida. integrado en la infraestructura de HZB y que se implementarán las actualizaciones propuestas."
El grupo de Habicht utilizará ahora mediciones del efecto Hall térmico para investigar las propiedades topológicas de las vibraciones reticulares o fonones en materiales cuánticos.
"Los mecanismos microscópicos y la física de los procesos de dispersión del efecto Hall térmico en cristales iónicos están lejos de comprenderse completamente. La pregunta interesante es por qué las cuasipartículas eléctricamente neutras en aisladores no magnéticos se desvían en el campo magnético", dice Habicht. . Con el nuevo instrumento, el equipo ha creado los requisitos previos para responder a esta pregunta.
Más información: Danny Kojda et al, Avanzando en la precisión de las mediciones térmicas de Hall para la investigación de nuevos materiales, Materiales y diseño (2023). DOI:10.1016/j.matdes.2023.112595
Proporcionado por la Asociación Helmholtz de Centros de Investigación Alemanes
