Plusieurs innovations dans la nouvelle tige d’échantillon, y compris le porte-échantillon, permettent des mesures de température avec la plus haute précision. Crédit : D. Kojda/HZB
Les chercheurs du HZB ont créé une technique innovante pour mesurer avec précision de minuscules variations de température aussi petites que 100 microkelvins dans l’effet Hall thermique, surmontant ainsi les limitations précédentes causées par le bruit thermique. En appliquant cette 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.
Les lois de la physique quantique s’appliquent à tous les matériaux. Or, dans les matériaux dits quantiques, ces lois donnent naissance à des propriétés particulièrement inhabituelles. Par exemple, les champs magnétiques ou les changements de température peuvent provoquer des excitations, des états collectifs ou des quasiparticules accompagnés de transitions de phase vers des états exotiques. Cela peut être utilisé de diverses manières, à condition qu’il puisse être compris, géré et contrôlé : par exemple, dans les futures technologies de l’information qui pourront stocker ou traiter des données avec une consommation d’énergie minimale.
L’effet Hall thermique (THE) joue un rôle clé dans l’identification des états exotiques dans la matière condensée. L’effet est basé sur de minuscules différences de température transversales qui se produisent lorsqu’un courant thermique traverse un échantillon et qu’un champ magnétique perpendiculaire est appliqué (voir Figure 2). En particulier, la mesure quantitative de l’effet Hall thermique permet de séparer les excitations exotiques du comportement conventionnel.
L’effet Hall thermique se traduit par une très petite différence de température transversale, si une différence de température longitudinale est appliquée. Le champ magnétique pénètre verticalement dans l’échantillon. Crédit : D. Kojda/HZB
L’effet Hall thermique est observé dans divers matériaux, notamment les liquides de spin, la glace de spin, les phases parentales des supraconducteurs à haute température et les matériaux aux propriétés fortement polaires. Cependant, les différences thermiques qui se produisent perpendiculairement au gradient de température dans l’échantillon sont extrêmement faibles : dans les échantillons typiques de taille millimétrique, elles se situent dans la plage des microkelvins aux millikelvins. Jusqu’à présent, il était difficile de détecter expérimentalement ces différences de chaleur, car la chaleur introduite par l’électronique de mesure et les capteurs masquait l’effet.
Un nouveau porte-échantillon
L’équipe dirigée par le PD Dr. Klaus Habicht a désormais réalisé un travail de pionnier. En collaboration avec des spécialistes de l’environnement des échantillons HZB, ils ont développé une nouvelle tige d’échantillon avec une structure modulaire qui peut être insérée dans divers cryo-aimants. La tête d’échantillon mesure l’effet Hall thermique à l’aide de la thermométrie capacitive. Cela tire parti de la dépendance à la température de la capacité de condensateurs miniatures spécialement fabriqués. Grâce à cette configuration, les experts ont réussi à réduire considérablement le transfert de chaleur via les capteurs et l’électronique, et à atténuer les signaux d’interférence et le bruit grâce à plusieurs innovations. Pour valider la méthode de mesure, ils ont analysé un échantillon de titanate de terbium, dont la conductivité thermique dans différentes directions cristallines sous champ magnétique est bien connue. Les données mesurées étaient en excellent accord avec la littérature.
Poursuite de l’amélioration de la méthode de mesure
«La capacité à résoudre les différences de température dans la plage inférieure au millikelvin me fascine grandement et constitue une clé pour étudier les matériaux quantiques plus en détail», déclare le premier auteur, le Dr Danny Kojda. « Nous avons désormais développé conjointement un modèle expérimental sophistiqué, des protocoles de mesure clairs et des procédures d’analyse précises qui permettent des mesures haute résolution et reproductibles. » Le chef du département, Klaus Habicht, ajoute : « Nos travaux fournissent également des informations sur la manière d’améliorer encore la résolution des futurs instruments conçus pour les basses températures d’échantillon. Je tiens à remercier toutes les personnes impliquées, en particulier l’équipe de l’environnement échantillon. J’espère que l’installation expérimentale sera fermement intégrée à l’infrastructure HZB et que les mises à niveau proposées seront mises en œuvre.
Outlook : Propriétés topologiques des phonons
Le groupe de Habicht utilisera désormais les mesures de l’effet Hall thermique pour étudier les propriétés topologiques des vibrations de réseau ou des phonons dans les matériaux quantiques. « Les mécanismes microscopiques et la physique des processus de diffusion de l’effet Hall thermique dans les cristaux ioniques sont loin d’être entièrement compris. La question passionnante est de savoir pourquoi les quasiparticules électriquement neutres contenues dans les isolants non magnétiques sont néanmoins déviées dans le champ magnétique », explique Habicht. Avec le nouvel instrument, l’équipe a désormais créé les conditions préalables pour répondre à cette question.
