Effetto Hall termico: nuovo progresso nella misurazione

I ricercatori dell’HZB hanno creato una tecnica innovativa per misurare con precisione minuscole variazioni di temperatura fino a 100 microkelvin nell’effetto Hall termico, superando le precedenti limitazioni causate dal rumore termico.

L'effetto Hall termico provoca una differenza di temperatura trasversale molto piccola, se viene applicata una differenza di temperatura longitudinale. Il campo magnetico penetra verticalmente nel campione. Credito: D. Kojda/HZB
L’effetto Hall termico provoca una differenza di temperatura trasversale molto piccola, se viene applicata una differenza di temperatura longitudinale. Il campo magnetico penetra verticalmente nel campione. Credito: D. Kojda/HZB

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 Hall termico fa luce sul comportamento degli stati multiparticellari coerenti 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, i campi magnetici o i cambiamenti di temperatura possono causare eccitazioni, stati collettivi o quasiparticelle accompagnate da transizioni di fase verso stati esotici. Questo può essere utilizzato in vari modi, a condizione che possa essere compreso, gestito e controllato: ad esempio, nelle future tecnologie dell’informazione in grado di archiviare o elaborare dati con un fabbisogno energetico minimo.

L’effetto Hall termico (THE) gioca un ruolo chiave nell’identificazione degli stati esotici nella materia condensata. L’effetto si basa su minuscole differenze di temperatura trasversali che si verificano quando una corrente termica viene fatta passare attraverso un campione e viene applicato un campo magnetico perpendicolare. In particolare, la misura quantitativa dell’effetto Hall termico permette di separare le eccitazioni esotiche dal comportamento convenzionale.

L’effetto Hall termico è osservato in una varietà di materiali, inclusi 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: nei campioni tipici di dimensioni millimetriche, sono nell’intervallo da microkelvin a millikelvin. Finora è stato difficile rilevare sperimentalmente queste differenze di calore poiché il calore introdotto dall’elettronica di misurazione e dai sensori ne maschera l’effetto.

Numerose innovazioni nella nuova barra campione, compreso il portacampione, consentono misurazioni della temperatura con la massima precisione. Credito: D. Kojda/HZB
Numerose innovazioni nella nuova barra campione, compreso il portacampione, consentono misurazioni della temperatura con la massima precisione. Credito: D. Kojda/HZB

Un nuovo portacampione

Il team guidato dal Dr. PD Klaus Habicht ha svolto un lavoro pionieristico. Insieme agli specialisti dell’ambiente di campionamento HZB, hanno sviluppato una nuova barra di campionamento con una struttura modulare che può essere inserita in vari criomagneti. La testa del campione misura l’effetto Hall termico utilizzando la termometria capacitiva. Ciò sfrutta la dipendenza dalla temperatura della capacità di condensatori miniaturizzati appositamente prodotti.

Con questa configurazione gli esperti sono riusciti a ridurre significativamente il trasferimento di calore attraverso sensori ed 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 conduttività termica in diverse direzioni cristalline sotto un campo magnetico è ben nota. I dati misurati erano in ottimo accordo con la letteratura.

Ulteriore miglioramento del metodo di misurazione

“La capacità di risolvere le differenze di temperatura nell’intervallo sub-millikelvin mi affascina molto ed è una chiave per studiare i materiali quantistici in modo più dettagliato”, ha dichiarato il primo autore, il dottor Danny Kojda. “Ora abbiamo sviluppato congiuntamente un sofisticato disegno sperimentale, protocolli di misurazione chiari e procedure di analisi precise che consentono misurazioni riproducibili e ad alta risoluzione”.

“Il nostro lavoro fornisce anche informazioni su come migliorare ulteriormente la risoluzione nei futuri strumenti progettati per le basse temperature del campione. Vorrei ringraziare tutti i soggetti coinvolti, in particolare il team dell’ambiente campione. Spero che l’apparato sperimentale sarà saldamente integrato nell’infrastruttura HZB e che gli aggiornamenti proposti verranno implementati”, ha aggiunto il capo del dipartimento Klaus Habicht.

Il team ha presentato i propri risultati su Science Direct.

Il Dr. PD Klaus Habicht
Il Dr. PD Klaus Habicht

Prospettive: Proprietà topologiche dei fononi

Il gruppo di Habicht utilizzerà ora le misurazioni dell’effetto Hall termico per studiare le proprietà topologiche delle vibrazioni reticolari o dei fononi nei materiali quantistici. “I meccanismi microscopici e la fisica dei processi di diffusione dell’effetto Hall termico nei cristalli ionici sono lungi dall’essere pienamente compresi. La domanda interessante è perché le quasiparticelle elettricamente neutre negli isolanti non magnetici vengono comunque deviate nel campo magnetico”, ha spiegato Habicht.

Con il nuovo strumento, il team ha ora creato i prerequisiti per rispondere a questa domanda.

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