پنجره جدید به سوی دنیای کوانتومی
پنجره جدید به سوی دنیای کوانتومی -محققان در HZB روشی نوآورانه برای اندازه‌گیری دقیق تغییرات دمایی کوچک به اندازه 100 میکروکلوین در اثر هال حرارتی ایجاد کرده‌اند که بر محدودیت‌های قبلی ناشی از نویز حرارتی غلبه می‌کند.
با بکارگیری این تکنیک در تربیوم تیتانات، تیم اثربخشی آن را در تولید نتایج ثابت و قابل اعتماد به نمایش گذاشت.
این پیشرفت در اندازه‌گیری اثر حرارتی هال، رفتار حالت‌های چند ذره‌ای منسجم در مواد کوانتومی، به‌ویژه برهم‌کنش‌های آنها با ارتعاشات شبکه، معروف به فونون‌ها را روشن می‌کند.
قوانین فیزیک کوانتومی برای همه مواد اعمال می شود. با این حال، در مواد به اصطلاح کوانتومی، این قوانین باعث به وجود آمدن خواص غیرعادی خاصی می شوند.
به عنوان مثال، میدان های مغناطیسی یا تغییرات دما می تواند باعث تحریک، حالت های جمعی یا شبه ذرات شود که با انتقال فاز به حالت های عجیب و غریب همراه است.
این می تواند به طرق مختلف مورد استفاده قرار گیرد، مشروط بر اینکه بتوان آن را درک، مدیریت و کنترل کرد: به عنوان مثال، در فناوری های اطلاعاتی آینده که می توانند داده ها را با حداقل نیاز انرژی ذخیره یا پردازش کنند.
اثر هال حرارتی (THE) نقش کلیدی در شناسایی حالت های عجیب و غریب در ماده متراکم دارد.
این اثر بر اساس اختلافات دمایی عرضی کوچکی است که هنگام عبور جریان حرارتی از نمونه و اعمال میدان مغناطیسی عمود بر آن رخ می‌دهد (شکل 2 را ببینید).
به طور خاص، اندازه گیری کمی اثر هال حرارتی به ما اجازه می دهد تا تحریکات عجیب و غریب را از رفتار معمولی جدا کنیم.
اثر هال حرارتی در مواد مختلفی از جمله مایعات چرخشی، یخ چرخشی، فازهای مادر ابررساناهای با دمای بالا و مواد با خواص قطبی قوی مشاهده می‌شود.
با این حال، تفاوت های حرارتی که عمود بر گرادیان دما در نمونه رخ می دهد بسیار کوچک است: در نمونه های معمولی با اندازه میلی متر، آنها در محدوده میکروکلوین تا میلی کلوین هستند.
تاکنون تشخیص تجربی این تفاوت‌های حرارتی دشوار بوده است زیرا گرمای وارد شده توسط الکترونیک اندازه‌گیری و حسگرها اثر را پنهان می‌کند.
نگهدارنده نمونه جدید
تیمی که توسط دکتر کلاوس هابیشت رهبری می شود، اکنون کارهای پیشگامانه ای انجام داده است. آنها همراه با متخصصان محیط نمونه HZB، یک میله نمونه جدید با ساختار مدولار توسعه داده اند که می تواند در مغناطیس های سرمایی مختلف قرار گیرد.
سر نمونه اثر هال حرارتی را با استفاده از دماسنج خازنی اندازه گیری می کند. این از وابستگی دمایی ظرفیت خازن های مینیاتوری ویژه تولید شده بهره می برد.
با این تنظیمات، کارشناسان موفق به کاهش قابل توجه انتقال حرارت از طریق سنسورها و وسایل الکترونیکی و کاهش سیگنال های تداخل و نویز با چندین نوآوری شده اند.
برای تایید روش اندازه گیری، آنها نمونه ای از تربیوم تیتانات را که رسانایی حرارتی آن در جهات مختلف کریستالی تحت یک میدان مغناطیسی به خوبی شناخته شده است، تجزیه و تحلیل کردند. داده های اندازه گیری شده مطابقت عالی با ادبیات داشتند.
بهبود بیشتر روش اندازه گیری
دکتر دنی کوجدا، نویسنده اول، می‌گوید: «توانایی حل اختلاف دما در محدوده زیر میلی‌کلوین مرا بسیار مجذوب می‌کند و کلیدی برای مطالعه جزئیات بیشتر مواد کوانتومی است».
ما اکنون به طور مشترک یک طراحی آزمایشی پیچیده، پروتکل‌های اندازه‌گیری واضح و روش‌های تجزیه و تحلیل دقیق ایجاد کرده‌ایم که امکان اندازه‌گیری با وضوح بالا و تکرارپذیر را فراهم می‌کند.»
کلاوس هابیشت، رئیس بخش می‌افزاید: «کار ما همچنین اطلاعاتی در مورد چگونگی بهبود بیشتر وضوح در ابزارهای آینده طراحی‌شده برای دماهای پایین نمونه ارائه می‌دهد.
مایلم از همه دست اندرکاران به ویژه تیم نمونه محیطی تشکر کنم. من امیدوارم که راه اندازی آزمایشی به طور محکم در زیرساخت HZB ادغام شود و ارتقاء پیشنهادی اجرا شود.
چشم انداز: خواص توپولوژیکی فونون ها
گروه هابیشت اکنون از اندازه گیری های اثر هال حرارتی برای بررسی خواص توپولوژیکی ارتعاشات شبکه یا فونون ها در مواد کوانتومی استفاده خواهد کرد.
مکانیسم‌های میکروسکوپی و فیزیک فرآیندهای پراکندگی برای اثر هال حرارتی در بلورهای یونی کاملاً درک نشده است.
سوال هیجان انگیز این است که چرا شبه ذرات خنثی الکتریکی در عایق های غیر مغناطیسی با این وجود در میدان مغناطیسی منحرف می شوند.
با ابزار جدید، تیم اکنون پیش نیازهایی را برای پاسخ به این سوال ایجاد کرده است.
مرجع: «پیشبرد دقت اندازه‌گیری‌های سالن حرارتی برای تحقیقات مواد جدید» توسط دنی کوجدا، آیدا سیگوش، باستیان کلمکه، سباستین گریشر، کلاوس کیفر، کاترینا فریچ، کریستو گوگوشف و کلاوس هابیشت، 22 دسامبر 2023، مواد و طراحی .
DOI: 10.1016/j.matdes.2023.112595
