Une équipe de HZB a développé une nouvelle méthode de mesure qui, pour la première fois, détecte avec précision de minuscules différences de température de l'ordre de 100 microKelvin dans l'effet Hall thermique. Auparavant, ces différences de température ne pouvaient pas être mesurées quantitativement en raison du bruit thermique.
Leur étude est publiée dans Matériaux &Design .
En prenant comme exemple le célèbre titanate de terbium, l’équipe a démontré que la méthode donne des résultats très fiables. L'effet Hall thermique fournit des informations sur les états multiparticulaires cohérents dans les matériaux quantiques en fonction de leur interaction avec les vibrations du réseau (phonons).
Les lois de la physique quantique s'appliquent à tous les matériaux. Cependant, ces lois donnent naissance à des propriétés particulièrement inhabituelles dans les matériaux dits quantiques. Par exemple, les champs magnétiques ou les changements de température peuvent provoquer des excitations, des états collectifs ou des quasiparticules accompagnés de transitions de phase vers des états exotiques.
Cela peut être utilisé de diverses manières, à condition qu’il puisse être compris, géré et contrôlé. Par exemple, à l'avenir, des technologies de l'information capables de stocker ou de traiter des données avec une consommation d'énergie minimale.
L'effet Hall thermique (THE) joue un rôle clé dans l'identification des états exotiques dans la matière condensée. L'effet est basé sur de minuscules différences de température transversales qui se produisent lorsqu'un courant thermique traverse un échantillon et qu'un champ magnétique perpendiculaire est appliqué.
En particulier, la mesure quantitative de l'effet Hall thermique permet de séparer les excitations exotiques du comportement conventionnel. L'effet Hall thermique est observé dans une variété de matériaux, notamment les liquides de spin, la glace de spin, les phases parentales des supraconducteurs à haute température et les matériaux aux propriétés fortement polaires.
Cependant, les différences thermiques qui se produisent perpendiculairement au gradient de température dans l’échantillon sont extrêmement faibles :dans les échantillons typiques de taille millimétrique, elles se situent dans la plage des microkelvins aux millikelvins. Jusqu'à présent, il était difficile de détecter expérimentalement ces différences de chaleur car la chaleur introduite par l'électronique de mesure et les capteurs masque l'effet.
Un nouveau porte-échantillon
L'équipe dirigée par le PD Dr. Klaus Habicht a désormais réalisé un travail de pionnier. En collaboration avec des spécialistes de l'environnement d'échantillonnage HZB, ils ont développé une nouvelle tige d'échantillon avec une structure modulaire qui peut être insérée dans divers cryo-aimants. La tête d'échantillon mesure l'effet Hall thermique à l'aide de la thermométrie capacitive.
Cela tire parti de la dépendance à la température de la capacité de condensateurs miniatures spécialement fabriqués. Avec cette configuration, les experts ont réussi à réduire considérablement le transfert de chaleur via les capteurs et l'électronique et à atténuer les signaux d'interférence et le bruit grâce à plusieurs innovations.
Pour valider la méthode de mesure, ils ont analysé un échantillon de titanate de terbium, dont la conductivité thermique dans différentes directions cristallines sous champ magnétique est bien connue. Les données mesurées étaient en excellent accord avec la littérature.
"La capacité à résoudre les différences de température dans la plage inférieure au millikelvin me fascine grandement et constitue une clé pour étudier les matériaux quantiques plus en détail", déclare le premier auteur, le Dr Danny Kojda. "Nous avons désormais développé conjointement un modèle expérimental sophistiqué, des protocoles de mesure clairs et des procédures d'analyse précises qui permettent des mesures haute résolution et reproductibles."
Le chef du département, Klaus Habicht, ajoute :« Notre travail fournit également des informations sur la manière d'améliorer encore la résolution des futurs instruments conçus pour les basses températures d'échantillon. Je voudrais remercier toutes les personnes impliquées, en particulier l'équipe chargée de l'environnement des échantillons. J'espère que la configuration expérimentale sera fermement intégré dans l'infrastructure HZB et que les mises à niveau proposées seront mises en œuvre."
Le groupe de Habicht va maintenant utiliser les mesures de l'effet Hall thermique pour étudier les propriétés topologiques des vibrations de réseau ou des phonons dans les matériaux quantiques.
"Les mécanismes microscopiques et la physique des processus de diffusion de l'effet Hall thermique dans les cristaux ioniques sont loin d'être entièrement compris. La question passionnante est de savoir pourquoi les quasiparticules électriquement neutres dans les isolants non magnétiques sont néanmoins déviées dans le champ magnétique", explique Habicht. . Avec le nouvel instrument, l'équipe a désormais créé les conditions préalables pour répondre à cette question.
Plus d'informations : Danny Kojda et al, Faire progresser la précision des mesures thermiques de Hall pour la recherche sur les nouveaux matériaux, Matériaux et conception (2023). DOI :10.1016/j.matdes.2023.112595
Fourni par l'Association Helmholtz des centres de recherche allemands
