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Quantenphysik Neues Messverfahren für Temperaturunterschiede im Mikrokelvinbereich

Quelle: Helmholtz-Zentrum Berlin 1 min Lesedauer

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Noch gibt es viele unbeantwortete Fragen bei Quantenmaterialien mit ihren besonderen Eigenschaften. Um sie besser zu verstehen, entwickelten Forscher nun eine neue Messmethode.

Für den neuen Probenstab mit Probenhalter hat das HZB-Team mehrere Innovationen entwickelt, die das Rauschen unterdrücken und Temperaturmessungen mit extremer Präzsion ermöglichen.(Bild: D. Kojda/HZB)
Für den neuen Probenstab mit Probenhalter hat das HZB-Team mehrere Innovationen entwickelt, die das Rauschen unterdrücken und Temperaturmessungen mit extremer Präzsion ermöglichen.
(Bild: D. Kojda/HZB)

Forscher des Helmholtz-Zentrums Berlin (HZB) haben ein neues Messverfahren entwickelt, um winzigste Temperaturdifferenzen im Bereich von 100 Mikrokelvin beim thermischen Hall-Effekt zu erfassen. Laut einer Mitteilung gibt dieser Effekt Auskunft über kohärente Vielteilchenzustände in Quantenmaterialien und nutzt dazu ihre Wechselwirkung mit Gitterschwingungen. Diese Temperaturdifferenzen konnten aufgrund von thermischem Rauschen bislang nicht quantitativ gemessen werden. Ziel der Forscher ist es, Quantenmaterialien besser zu verstehen um sich deren exotischen Zustände zunutze machen zu können. So könnten Daten in Zukunft mit nur minimalem Energiebedarf gespeichert oder verarbeitet werden.

Der thermische Hall-Effekt (THE) spielt eine Schlüsselrolle, um exotische Zustände in kondensierter Materie zu identifizieren, heißt es weiter. Dabei handelt es sich um eine winzige Wärmedifferenz. Für typische millimetergroße Proben liegen sie im Bereich von Mikrokelvin bis Millikelvin. Bisher war es schwierig, diese Wärmedifferenzen experimentell zu erfassen, weil die eingetragene Wärme durch Mess-Elektronik und Sensoren den Effekt überdeckten, so die Forscher.

Dafür entwickelten sie nun einen neuartigen Probenstab mit modularem Aufbau, der in verschiedene Kryomagnete eingesetzt werden kann. Der Probenkopf nimmt die Probe auf und misst mit kapazitiver Thermometrie den thermischen Halleffekt. Mit dem Aufbau gelang es den Experten, die Wärmeübertragung durch Sensoren und Elektronik deutlich zu verringern und Störsignale und Rauschen zu dämpfen. Im nächsten Schritt wollen die Forscher diese Technologie nutzen, um topologische Eigenschaften von Gitterschwingungen in Quantenmaterialien zu untersuchen. Sie gehen der Frage nach, warum in Ionenkristallen elektrisch neutrale Quasiteilchen in nicht-magnetischen Isolatoren dennoch im Magnetfeld abgelenkt werden.

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