Forscher am HZB haben eine innovative Technologie entwickelt, die winzige Temperaturänderungen von bis zu 100 Mikrokelvin im thermischen Hall-Effekt genau messen kann und damit bisherige Einschränkungen durch thermisches Rauschen überwindet. Durch die Anwendung der Technik auf Terbiumtitanat demonstrierte das Team seine Wirksamkeit bei der Erzielung konsistenter, zuverlässiger Ergebnisse. Dieser Fortschritt bei der Messung des thermischen Hall-Effekts wirft Licht auf das Verhalten kohärenter Mehrteilchenzustände in Quantenmaterialien, insbesondere auf ihre Wechselwirkung mit Gitterschwingungen, sogenannten Phononen.
Die Gesetze der Quantenphysik gelten für alle Materialien. In sogenannten Quantenmaterialien führen diese Gesetze jedoch zu besonders ungewöhnlichen Eigenschaften. Beispielsweise können Änderungen in Magnetfeldern oder Temperaturen Katastrophen, kollektive Zustände oder Quasiteilchen verursachen, begleitet von Phasenübergängen in exotische Zustände. Solange sie verstanden, verwaltet und kontrolliert werden können, können sie auf vielfältige Weise genutzt werden: Beispielsweise können Daten in zukünftigen Informationstechnologien mit minimalem Energieaufwand gespeichert oder verarbeitet werden.
Der thermische Hall-Effekt (THE) spielt eine Schlüsselrolle bei der Identifizierung exotischer Zustände in kondensierter Materie. Dieser Effekt beruht auf den geringen seitlichen Temperaturunterschieden, die entstehen, wenn ein thermischer Strom durch die Probe geleitet und ein vertikales Magnetfeld angelegt wird (siehe Abbildung 2). Durch die quantitative Messung des thermischen Hall-Effekts können wir exotische Anregungen von regulärem Verhalten unterscheiden.
Der thermische Hall-Effekt wird in einer Vielzahl von Materialien beobachtet, darunter Spinflüssigkeiten, Spineise, die Ausgangsphase von Hochtemperatursupraleitern und Materialien mit starken Polaritäten. Allerdings sind die thermischen Unterschiede senkrecht zum Temperaturgradienten in der Probe sehr gering: In einer typischen Probe im Millimeterbereich reichen die thermischen Unterschiede von Mikrokelvin bis Millikelvin. Bisher war es schwierig, diese thermischen Unterschiede experimentell nachzuweisen, da die von der Messelektronik und den Sensoren eingebrachte Wärme diesen Effekt überdeckt.
Ein Team um Dr. Klaus Habicht, Ph.D., hat nun Pionierarbeit geleistet. Gemeinsam mit Experten des HZB-Probeumfelds entwickelten sie einen neuen Probenstab mit modularem Aufbau, der in verschiedene Kryomagnete eingesetzt werden kann. Der Probenkopf nutzt kapazitive Thermometrie zur Messung des thermischen Hall-Effekts. Dabei werden die temperaturabhängigen Kapazitätseigenschaften speziell gefertigter Mikrokondensatoren genutzt. Mit diesem Gerät ist es den Experten durch mehrere Innovationen gelungen, die Wärmeleitung durch den Sensor und die elektronischen Komponenten deutlich zu reduzieren und Störsignale und Rauschen zu dämpfen. Um diese Messmethode zu validieren, analysierten sie eine Probe von Terbiumtitanat, dessen Wärmeleitfähigkeit in verschiedenen Kristallorientierungen unter Magnetfeldern bekannt ist. Die gemessenen Daten stimmen gut mit der Literatur überein.
Erstautor Dr. Danny Kojda sagte: „Die Fähigkeit, Temperaturunterschiede im Sub-Millikelvin-Bereich aufzulösen, fasziniert mich und ist der Schlüssel zur detaillierteren Untersuchung von Quantenmaterialien. Gemeinsam haben wir jetzt ein ausgefeiltes experimentelles Design, klare Messprotokolle und präzise Analyseverfahren entwickelt, was zu hochauflösenden und reproduzierbaren Messungen führt.“
Abteilungsleiter Klaus Habicht ergänzt: „Unsere Arbeit liefert auch Hinweise darauf, wie die Auflösung künftiger Tiefprobentemperaturgeräte weiter verbessert werden kann. Ich möchte mich bei allen Beteiligten bedanken, insbesondere beim Team Sample Environment. Ich hoffe, dass der Versuchsaufbau fest in die HZB-Infrastruktur integriert wird und die empfohlenen Upgrades umgesetzt werden.“
Habichts Forschungsgruppe wird nun Messungen des thermischen Hall-Effekts nutzen, um die topologischen Eigenschaften von Gitterschwingungen, sogenannten Phononen, in Quantenmaterialien zu untersuchen. „Die mikroskopischen Mechanismen des thermischen Hall-Effekts und die Physik von Streuprozessen in Ionenkristallen sind noch lange nicht vollständig verstanden. Die spannende Frage ist, warum elektrisch neutrale Quasiteilchen in nichtmagnetischen Isolatoren in Magnetfeldern abgelenkt werden“, sagt Habicht. Mit diesem neuen Instrument verfügt das Forschungsteam nun über die Voraussetzungen, diese Frage zu beantworten.
Zusammengestellte Quelle: ScitechDaily