Méthode révolutionnaire ouvre une nouvelle fenêtre sur le monde quantique.

Les développements révolutionnaires d'une nouvelle tige d'échantillon, dotée d'un porte-échantillon avancé, offrent la capacité de mesurer la température extrêmement précise. Ces avancées ont été dirigées par D. Kojda/HZB

Une équipe de scientifiques du HZB a dévoilé une approche révolutionnaire permettant de détecter avec précision de minuscules fluctuations de température, aussi petites que 100 microkelvins, au sein de l'effet Hall thermique, répondant ainsi aux restrictions antérieures imposées par les interférences thermiques. Grâce à son application au titanate de terbium, les chercheurs ont illustré la puissance de cet outil pour produire des résultats fiables et reproductibles. La découverte de l'effet Hall thermique permet de mieux comprendre le comportement des états collectifs multiparticulaires dans les matériaux quantiques, en particulier leurs interactions avec les vibrations du réseau ou les phonons.

Tous les matériaux sont régis par les lois de la physique quantique, et les matériaux quantiques présentent des propriétés plutôt uniques en raison de ces lois. Par exemple, des modifications de température ou des champs magnétiques peuvent stimuler des excitations, des états collectifs ou des quasiparticules marquées par des transitions de phase vers des états distincts. La compréhension, la gestion et le contrôle de ces propriétés peuvent permettre leur application dans les futures technologies de l'information qui nécessitent une consommation d'énergie minimale pour gérer ou stocker les données.

L'effet Hall thermique (THE) est crucial dans l'identification d'états uniques dans la matière condensée. Elle repose essentiellement sur d’infimes différences latérales de température qui apparaissent lorsqu’un courant thermique est canalisé à travers un échantillon et qu’un champ magnétique perpendiculaire est appliqué. Par ailleurs, l’observation quantitative de l’effet Hall thermique permet de différencier les excitations inhabituelles du comportement normal.

L'effet Hall thermique est apparent dans un large spectre de matériaux, notamment les liquides de spin, la glace de spin, les phases parentales des supraconducteurs à haute température et les matériaux aux propriétés extrêmement polaires. Cependant, les différences thermiques extraordinairement faibles qui se produisent perpendiculairement au gradient de température de l'échantillon ont toujours posé un défi à détecter expérimentalement. Généralement, dans des échantillons de taille millimétrique, ils vont du microkelvin au millikelvin. L’entrée de chaleur provenant des circuits de mesure et des capteurs masque généralement l’effet.

Les travaux pionniers menés par le Dr Klaus Habicht, en collaboration avec les spécialistes de l'environnement des échantillons de HZB, ont permis à Jiu de créer une tige d'échantillon révolutionnaire qui peut être insérée dans une gamme de cryo-aimants, grâce à sa structure modulaire. La tête d'échantillon mesure l'effet Hall thermique à l'aide de la thermométrie capacitive, en tirant parti de la dépendance en température de la capacité des condensateurs miniatures spécialement conçus. L’équipe a notamment réussi à minimiser le transfert de chaleur via des capteurs et l’électronique, ainsi qu’à diminuer le bruit et les signaux d’interférence. Ceci a été consolidé par l’analyse d’un échantillon de titanate de terbium.

Le Dr Danny Kojda, le premier auteur, partage sa fascination pour la capacité de résoudre les différences de température dans la plage inférieure au millikelvin, soulignant qu'elle est la clé de l'avancement de l'étude des matériaux quantiques. Il attribue leur succès au développement d'une conception expérimentale raffinée accompagnée de protocoles de mesure clairs et de procédures d'analyse précises qui facilitent des mesures de grande précision et reproductibles. Le chef du département, Klaus Habicht, exprime son intention d'améliorer encore la résolution des futurs instruments à basse température d'échantillon et son espoir que cette configuration expérimentale soit intégrée à l'infrastructure HZB avec l'introduction des mises à niveau prévues.

Le groupe de Habicht s'oriente désormais vers l'utilisation des mesures de l'effet Hall thermique pour étudier les propriétés topologiques des phonons dans les matériaux quantiques. Habicht a déclaré que la compréhension complète des mécanismes microscopiques et de la physique des processus de diffusion de l'effet Hall thermique dans les cristaux ioniques reste insaisissable et qu'il reste passionnant de comprendre pourquoi les quasiparticules électriquement neutres dans les isolants non magnétiques sont déviées dans le champ magnétique.