Nuovo metodo rivoluzionario apre una nuova finestra sul mondo quantistico.
Svarie innovazioni nella nuova asta campione, inclusa la cavità per il campione, consentono di effettuare misurazioni di temperatura con la massima precisione. Credito: D. Kojda/HZB
I ricercatori dell'HZB hanno creato una tecnica innovativa per misurare con precisione le variazioni minime di temperatura, piccole quanto 100 microkelvin, nell'effetto termico di Hall, superando le limitazioni precedenti dovute al rumore termico. Applicando questa tecnica al titanato di terbio, il team ha dimostrato la sua efficacia nel produrre risultati coerenti e affidabili. Questo progresso nella misurazione dell'effetto termico di Hall fa luce sul comportamento degli stati coerenti a multi-particella nei materiali quantistici, in particolare sulle loro interazioni con le vibrazioni reticolari, note come fononi.
Le leggi della fisica quantistica si applicano a tutti i materiali. Tuttavia, nei cosiddetti materiali quantistici, queste leggi danno origine a proprietà particolarmente insolite. Ad esempio, campi magnetici o variazioni di temperatura possono causare eccitazioni, stati collettivi o quasi-particelle che sono accompagnate da transizioni di fase verso stati esotici. Ciò può essere utilizzato in vari modi, a patto che possa essere compreso, gestito e controllato: ad esempio, nelle future tecnologie dell'informazione che possono archiviare o elaborare dati con requisiti minimi di energia.
L'effetto termico di Hall (THE) svolge un ruolo chiave nell'identificare stati esotici nella materia condensata. L'effetto si basa su minime differenze di temperatura trasversali che si verificano quando una corrente termica attraversa un campione e viene applicato un campo magnetico perpendicolare (vedi Figura 2). In particolare, la misurazione quantitativa dell'effetto termico di Hall ci consente di separare le eccitazioni esotiche dal comportamento convenzionale.
L'effetto termico di Hall provoca una piccolissima differenza di temperatura trasversale se viene applicata una differenza di temperatura longitudinale. Il campo magnetico penetra verticalmente il campione. Credito: D. Kojda/HZB
L'effetto termico di Hall viene osservato in una varietà di materiali, tra cui liquidi di spin, ghiaccio di spin, fasi madri di superconduttori ad alta temperatura e materiali con proprietà fortemente polari. Tuttavia, le differenze termiche che si verificano perpendicolarmente al gradiente di temperatura nel campione sono estremamente piccole: in campioni di dimensioni tipiche di millimetri, si trovano nell'ordine dei microkelvins ai millikelvins. Finora, è stato difficile rilevare queste differenze di calore sperimentalmente perché il calore introdotto dall'elettronica di misurazione e dai sensori maschera l'effetto.
Il team guidato dal Dott. PD Klaus Habicht ha ora svolto un lavoro pionieristico. In collaborazione con specialisti dell'ambiente delle prove dell'HZB, hanno sviluppato un'asta campione con una struttura modulare che può essere inserita in vari criomagneti. La testa del campione misura l'effetto termico di Hall utilizzando la termometria capacitiva. Questo sfrutta la dipendenza dalla temperatura della capacità di condensatori miniaturizzati appositamente fabbricati. Con questa configurazione, gli esperti sono riusciti a ridurre significativamente il trasferimento di calore attraverso i sensori e l'elettronica, e ad attenuare i segnali di interferenza e il rumore con diverse innovazioni. Per convalidare il metodo di misurazione, hanno analizzato un campione di titanato di terbio, la cui conducibilità termica in diverse direzioni cristalline sotto un campo magnetico è ben nota. I dati misurati erano in ottimo accordo con la letteratura.
"La capacità di risolvere le differenze di temperatura nell'intervallo dei sub-millikelvin mi affascina molto ed è la chiave per studiare i materiali quantistici in modo più dettagliato", afferma il primo autore, il Dott. Danny Kojda. "Abbiamo ora sviluppato congiuntamente un sofisticato design sperimentale, chiari protocolli di misurazione e precisi procedimenti di analisi che consentono misurazioni ad alta risoluzione e riproducibili." Il capo del dipartimento Klaus Habicht aggiunge: "Il nostro lavoro fornisce anche informazioni su come migliorare ulteriormente la risoluzione in futuri strumenti progettati per basse temperature del campione. Desidero ringraziare tutti coloro che sono stati coinvolti, in particolare il team dell'ambiente delle prove. Spero che l'apparecchiatura sperimentale venga integrata saldamente nell'infrastruttura dell'HZB e che le migliorie proposte vengano implementate."
Il gruppo di Habicht utilizzerà ora le misure dell'effetto termico di Hall per investigare le proprietà topologiche delle vibrazioni reticolari o dei fononi nei materiali quantistici. "I meccanismi microscopici e la fisica dei processi di scattering per l'effetto termico di Hall nei cristalli ionici sono ancora lontani dall'essere pienamente compresi. La domanda affascinante è perché le quasi-particelle elettricamente neutrali negli isolanti non magnetici vengono comunque deflesse dal campo magnetico", afferma Habicht. Con il nuovo strumento, il team ha creato ora le premesse per rispondere a questa domanda.
