خلاصه خبر:
محققان هلمهولتز-زنتروم برلین (HZB) یک روش اندازه‌گیری دقیق ایجاد کرده‌اند که قادر به تشخیص تفاوت‌های دمایی بسیار کوچک در اثر هال حرارتی است. این پیشرفت امکان اندازه گیری کمی تغییرات دما را به اندازه 100 میکروکلوین فراهم می کند، که قبلاً به دلیل نویز حرارتی تعیین کمیت آنها چالش برانگیز بود. این تیم با استفاده از تربیوم تیتانات به عنوان یک ماده مدل، قابلیت اطمینان تکنیک خود را نشان دادند. اثر هال حرارتی بینشی در مورد رفتار مواد کوانتومی ارائه می دهد. محققان یک میله نمونه جدید طراحی کردند و از دماسنج خازنی برای به حداقل رساندن سیگنال های تداخل و نویز استفاده کردند. اندازه‌گیری‌های به‌دست‌آمده مطابقت عالی با ادبیات موجود داشتند. این پیشرفت در وضوح دما، درها را به روی مطالعات دقیق مواد کوانتومی باز می کند و راه را برای پیشرفت های آینده در طراحی ابزار با دمای پایین هموار می کند.
توضیحات تکمیلی
محققان هلمهولتز-زنتروم برلین (HZB) یک روش اندازه گیری پیشگامانه ایجاد کرده اند که قادر به تشخیص دقیق تفاوت های دمایی بسیار کوچک در محدوده 100 میکروکلوین در اثر هال حرارتی است. این تکنیک جدید بر چالش قبلی اندازه‌گیری کمی این تغییرات دما به دلیل تداخل نویز حرارتی غلبه می‌کند.
مطالعه این تیم که در Materials & Design منتشر شد، از تربیوم تیتانات به عنوان یک ماده مدل برای نشان دادن قابلیت اطمینان و اثربخشی روش خود استفاده کرد. اثر هال حرارتی، که بینش های ارزشمندی را در مورد رفتار مواد کوانتومی بر اساس برهمکنش آنها با ارتعاشات شبکه نشان می دهد، برای این منظور به کار گرفته شد.
مواد کوانتومی دارای خواص منحصربه‌فردی هستند که از قوانین فیزیک کوانتومی ناشی می‌شود و درک و کنترل این ویژگی‌ها می‌تواند به کاربردهای مختلفی از جمله فناوری‌های اطلاعاتی کارآمد منجر شود. اثر هال حرارتی نقش مهمی در شناسایی حالت های عجیب در ماده متراکم مانند مایعات اسپینی (spin liquids)، یخ اسپینی ( spin ice)و ابررساناهای با دمای بالا ایفا می کند.
چالش در تشخیص تفاوت های بسیار کوچک دما است که عمود بر گرادیان دما در نمونه رخ می دهد. اندازه‌گیری این تفاوت‌ها، معمولاً در محدوده میکروکلوین تا میلی‌کلوین، قبلاً به دلیل تداخل ناشی از گرمای وارد شده توسط الکترونیک اندازه‌گیری و حسگرها دشوار بود. برای مقابله با این مانع، محققان یک میله نمونه جدید با ساختار مدولار توسعه دادند که می تواند در مغناطیس های سرمایی مختلف وارد شود. هِدِ نمونه از دماسنج خازنی استفاده می کند و از ظرفیت خازنی وابسته به دما خازن های مینیاتوری ویژه ساخته شده استفاده می کند.
این راه‌اندازی نوآورانه انتقال حرارت، سیگنال‌های تداخل و نویز حسگرها و وسایل الکترونیکی را به میزان قابل توجهی کاهش می‌دهد. در آزمایش‌های اعتبارسنجی خود با تربیوم تیتانات، تیم به توافق عالی بین داده‌های اندازه‌گیری شده و ادبیات موجود دست یافتند که صحت و قابلیت اطمینان روش اندازه‌گیری آنها را تأیید می‌کند.
دکتر دنی کوجدا، نویسنده اصلی، در مورد توانایی حل اختلاف دمایی در محدوده زیر میلی‌کلوین ابراز اشتیاق کرد، زیرا درها را برای مطالعات عمیق مواد کوانتومی باز می‌کند. کلاوس هابیشت، رئیس بخش، اهمیت این کار را برجسته کرد و بر پتانسیل آن برای بهبود وضوح ابزارهای آینده طراحی شده برای دماهای پایین نمونه تاکید کرد.
در حرکت رو به جلو، گروه Habicht قصد دارد از اندازه‌گیری‌های اثر هال حرارتی برای بررسی خواص توپولوژیکی ارتعاشات شبکه یا فونون‌ها در مواد کوانتومی استفاده کند. هدف آنها کشف مکانیسم‌های میکروسکوپی و فیزیک فرآیندهای پراکندگی است که باعث انحراف حرارتی در عایق‌های غیر مغناطیسی می‌شوند که در معرض میدان مغناطیسی قرار می‌گیرند.
توسعه موفقیت‌آمیز این روش اندازه‌گیری دقیق توسط محققان، پایه‌ای برای پیشرفت درک ما از اصول اساسی انتقال حرارتی در مواد جدید، با پیامدهای بالقوه برای زمینه‌های مختلف تحقیقات و کاربردهای فناوری، فراهم می‌کند.
منبع
Danny Kojda et al, Advancing the precision of thermal Hall measurements for novel materials research, Materials & Design (2023). DOI: 10.1016/j.matdes.2023.112595
