包括样品支架在内的新样品棒的几项创新使温度测量具有最高的精度。图片来源:D. Kojda/HZB
HZB的研究人员创造了一种创新技术，可以精确测量热霍尔效应中小至100微开尔文的微小温度变化，克服了以前由热噪声引起的限制。通过将这项技术应用于钛酸铽，该团队展示了其在产生一致和可靠结果方面的有效性。测量热霍尔效应的这一进展揭示了量子材料中相干多粒子态的行为，特别是它们与晶格振动(称为声子)的相互作用。
量子物理定律适用于所有物质。然而，在所谓的量子材料中，这些定律产生了特别不寻常的性质。例如，磁场或温度的变化可以引起激发、集体态或准粒子，这些准粒子伴随着向奇异态的相变。只要能被理解、管理和控制，它就可以以多种方式被利用:例如，在未来的信息技术中，可以以最小的能量需求存储或处理数据。
热霍尔效应(The)在确定凝聚态中的奇异态方面起着关键作用。该效应是基于当热电流通过样品并施加垂直磁场时发生的微小横向温差(见图2)。特别是，热霍尔效应的定量测量使我们能够将外来激励与常规行为分开。
如果施加纵向温差，热霍尔效应会导致非常小的横向温差。磁场垂直穿透样品。图片来源:D. Kojda/HZB
热霍尔效应可以在多种材料中观察到，包括自旋液体、自旋冰、高温超导体的母相和具有强极性性质的材料。然而，在样品中垂直于温度梯度发生的温差非常小:在典型的毫米尺寸的样品中，它们在微开尔文到毫开尔文的范围内。到目前为止，由于测量电子设备和传感器引入的热量掩盖了这种影响，很难通过实验检测到这些热差。
一种新型样品夹
由克劳斯·哈比希特博士领导的小组现在进行了开创性的工作。与来自HZB样品环境的专家一起，他们开发了一种具有模块化结构的新型样品棒，可以插入各种低温磁铁中。样品头采用电容式测温法测量热霍尔效应。这利用了特殊制造的微型电容器的电容对温度的依赖性。有了这种设置，专家们已经成功地显著减少了通过传感器和电子设备的热量传递，并通过一些创新减弱了干扰信号和噪声。为了验证测量方法，他们分析了钛酸铽样品，其在磁场下不同晶体方向的热导率是众所周知的。测量数据与文献非常吻合。
测量方法的进一步改进
“在亚毫开尔文范围内解决温差的能力让我非常着迷，这是更详细地研究量子材料的关键，”第一作者丹尼·科伊达博士说。“我们现在共同开发了一种复杂的实验设计、清晰的测量方案和精确的分析程序，可以实现高分辨率和可重复的测量。”该部门负责人Klaus Habicht补充说:“我们的工作还为如何进一步提高未来低样品温度仪器的分辨率提供了信息。我要感谢所有参与的人，特别是示例环境团队。我希望实验装置能够牢固地集成到HZB的基础设施中，并且建议的升级将得到实施。”
展望:声子的拓扑性质
Habicht的团队现在将利用热霍尔效应的测量来研究量子材料中晶格振动或声子的拓扑特性。“离子晶体中热霍尔效应的微观机制和散射过程的物理学还远远没有被完全理解。“令人兴奋的问题是，为什么非磁性绝缘体中的电中性准粒子在磁场中仍然偏转，”Habicht说。有了新仪器，研究小组现在已经为回答这个问题创造了先决条件。
参考文献:“推进新材料研究的热霍尔测量精度”，作者:Danny Kojda, Ida Sigusch, Bastian Klemke, Sebastian Gerischer, Klaus Kiefer, Katharina Fritsch, christto Guguschev和Klaus Habicht, 2023年12月22日，材料与设计。DOI: 10.1016 / j.matdes.2023.112595
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