Les chercheurs du HZB ont créé une technologie innovante capable de mesurer avec précision de minuscules changements de température aussi petits que 100 microkelvins dans l'effet Hall thermique, surmontant ainsi les limitations précédentes causées par le bruit thermique. En appliquant la technique au titanate de terbium, l’équipe a démontré son efficacité à produire des résultats cohérents et fiables. Cette avancée dans la mesure de l’effet Hall thermique met en lumière le comportement des états multiparticulaires cohérents dans les matériaux quantiques, en particulier leurs interactions avec les vibrations du réseau, appelées phonons.

Plusieurs innovations dans la nouvelle tige d'échantillon, y compris le porte-échantillon, permettent la plus grande précision dans la mesure de la température. Source : D. Kojda/HZB

Les lois de la physique quantique s'appliquent à tous les matériaux. Or, dans les matériaux dits quantiques, ces lois produisent des propriétés particulièrement inhabituelles. Par exemple, des changements dans les champs magnétiques ou les températures peuvent provoquer des cataclysmes, des états collectifs ou des quasiparticules, accompagnés de transitions de phase vers des états exotiques. Tant qu'elles peuvent être comprises, gérées et contrôlées, elles peuvent être exploitées de diverses manières : par exemple, dans les technologies de l'information du futur, les données pourront être stockées ou traitées avec un minimum de consommation d'énergie.

L'effet Hall thermique (THE) joue un rôle clé dans l'identification des états exotiques dans la matière condensée. Cet effet est basé sur les petites différences latérales de température produites lorsqu'un courant thermique traverse l'échantillon et qu'un champ magnétique vertical est appliqué (voir Figure 2). En mesurant quantitativement l’effet Hall thermique, nous pouvons distinguer les excitations exotiques du comportement régulier.

Si une différence de température longitudinale est appliquée, l'effet Hall thermique entraîne des différences de température transversales extrêmement faibles. Le champ magnétique pénètre perpendiculairement dans l’échantillon. Source : D. Kojda/HZB

L'effet Hall thermique est observé dans divers matériaux, notamment les liquides de spin, les glaces de spin, la phase mère des supraconducteurs à haute température et les matériaux à fortes polarités. Cependant, les différences thermiques perpendiculaires au gradient de température dans l’échantillon sont très faibles : dans un échantillon typique à l’échelle millimétrique, les différences thermiques vont du microkelvin au millikelvin. Jusqu’à présent, il était difficile de détecter expérimentalement ces différences thermiques car la chaleur introduite par l’électronique de mesure et les capteurs masque cet effet.

Une équipe dirigée par le Dr Klaus Habicht, Ph.D., a désormais réalisé un travail pionnier. En collaboration avec des experts de HZB Sample Environment, ils ont développé une nouvelle tige d'échantillon avec une structure modulaire qui peut être insérée dans divers aimants cryogéniques. La tête d'échantillon utilise la thermométrie capacitive pour mesurer l'effet Hall thermique. Cela tire parti des propriétés de capacité dépendant de la température des microcondensateurs spécialement fabriqués. Grâce à cet appareil, les experts ont réussi à réduire considérablement la conduction thermique à travers le capteur et les composants électroniques et à atténuer les signaux parasites et le bruit grâce à plusieurs innovations. Pour valider cette méthode de mesure, ils ont analysé un échantillon de titanate de terbium, dont la conductivité thermique dans différentes orientations cristallines sous champs magnétiques est bien connue. Les données mesurées sont en bon accord avec la littérature.

Le premier auteur, le Dr Danny Kojda, a déclaré : « La capacité à résoudre les différences de température dans la plage inférieure au millikelvin me fascine et est essentielle pour étudier les matériaux quantiques plus en détail. Ensemble, nous avons maintenant développé une conception expérimentale sophistiquée, des protocoles de mesure clairs et des procédures d'analyse précises, résultant en des mesures haute résolution et reproductibles.

Le chef du département, Klaus Habicht, ajoute : « Notre travail fournit également des informations sur la façon d'améliorer encore la résolution des futurs instruments à basse température d'échantillon. Je tiens à remercier toutes les personnes impliquées, en particulier l'équipe Sample Environment. J'espère que l'installation expérimentale sera fermement intégrée dans l'infrastructure HZB et que les mises à niveau recommandées seront mises en œuvre.

Le groupe de recherche de Habicht utilisera désormais les mesures de l'effet Hall thermique pour étudier les propriétés topologiques des vibrations de réseau, ou phonons, dans les matériaux quantiques. "Les mécanismes microscopiques de l'effet Hall thermique et la physique des processus de diffusion 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 déviées dans les champs magnétiques", explique Habicht. Avec ce nouvel instrument, l’équipe de recherche dispose désormais des prérequis pour répondre à cette question.

Source compilée : ScitechDaily