HZB 的研究人員創造了一種創新技術，可以精確測量熱霍爾效應中小至 100 微開爾文的微小溫度變化，克服了以往熱噪聲造成的限制。透過將該技術應用於鈦酸鋱，研究小組展示了其在產生一致、可靠結果方面的有效性。測量熱霍爾效應的這一進展揭示了量子材料中相干多粒子狀態的行為，特別是它們與晶格振動（即聲子）的相互作用。
新型樣品棒（包括樣品支架）的多項創新技術可實現最高精度的溫度測量。資料來源：D. Kojda/HZB
量子物理學定律適用於所有材料。然而，在所謂的量子材料中，這些定律會產生特別不尋常的特性。例如，磁場或溫度的變化會引起激變、集合態或準粒子，並伴隨著向奇異態的相變。只要能夠理解、管理和控制，就能以各種方式加以利用：例如，在未來的資訊科技中，可以以最小的能量需求來儲存或處理資料。
熱霍爾效應（THE）在識別凝聚態中的奇異狀態方面發揮著關鍵作用。該效應基於熱電流透過樣品並施加垂直磁場時產生的微小橫向溫差（見圖 2）。透過對熱霍爾效應進行定量測量，我們可以將奇異激發與常規行為區分開來。
如果施加縱向溫差，熱霍爾效應會導致極小的橫向溫差。磁場垂直穿透樣品。資料來源：D. Kojda/HZB
在各種材料中都能觀察到熱霍爾效應，包括自旋液體、自旋冰、高溫超導體的母相以及具有強極性的材料。然而，垂直於樣品中溫度梯度的熱差異非常小：在典型的毫米級樣品中，熱差異在微開爾文到毫開爾文之間。迄今為止，由於測量電子裝置和感測器引入的熱量掩蓋了這種效應，因此很難透過實驗檢測到這些熱差。
由博士 Klaus Habicht 博士領導的團隊目前已經開展了開創性的工作。他們與來自 HZB 樣品環境的專家一起，開發出了一種具有模組化結構的新型樣品棒，可以插入各種低溫磁體中。樣品頭使用電容測溫法測量熱霍爾效應。這利用了專門製造的微型電容器的電容隨溫度變化的特性。利用這一裝置，專家們成功地大幅減少了透過感測器和電子元件的熱傳導，並透過多項創新減弱了干擾訊號和噪音。為了驗證這種測量方法，他們分析了一個鈦酸鋱樣品，其在磁場下不同晶體方向的熱導率是眾所周知的。測量資料與文獻資料非常吻合。
第一作者丹尼-科伊達（Danny Kojda）博士說："解析亞毫開爾文範圍溫差的能力讓我非常著迷，這也是更詳細研究量子材料的關鍵所在。我們現在已經共同開發了一套複雜的實驗設計、清晰的測量協議和精確的分析程式，從而實現了高解析度和可重複的測量"。
系主任克勞斯-哈比希特（Klaus Habicht）補充道："我們的工作還為如何進一步提高未來低樣品溫度儀器的解析度提供了資訊。我要感謝所有參與其中的人員，尤其是樣品環境團隊。我希望該實驗裝置能夠牢固地融入 HZB 基礎設施，並實施所建議的升級"。
Habicht 的研究小組現在將利用熱霍爾效應的測量結果來研究量子材料中晶格振動或聲子的拓撲特性。"離子晶體中熱霍爾效應的微觀機制和散射過程的物理學原理遠未被完全理解。令人興奮的問題是，為什麼非磁性絕緣體中的電中性準粒子會在磁場中發生偏轉，"Habicht 說。透過這臺新儀器，研究小組現在已經具備了回答這個問題的先決條件。
編譯來源：ScitechDaily
