突破性方法精确测量热霍尔效应中的微小温度变化 为量子世界打开新窗口

HZB 的研究人员创造了一种创新技术，可以精确测量热霍尔效应中小至 100 微开尔文的微小温度变化，克服了以往热噪声造成的限制。通过将该技术应用于钛酸铽，研究小组展示了其在产生一致、可靠结果方面的有效性。测量热霍尔效应的这一进展揭示了量子材料中相干多粒子状态的行为，特别是它们与晶格振动（即声子）的相互作用。

新型样品棒（包括样品支架）的多项创新技术可实现最高精度的温度测量。资料来源：D. Kojda/HZB

量子物理学定律适用于所有材料。然而，在所谓的量子材料中，这些定律会产生特别不寻常的特性。例如，磁场或温度的变化会引起激变、集合态或准粒子，并伴随着向奇异态的相变。只要能够理解、管理和控制，就能以各种方式加以利用：例如，在未来的信息技术中，可以以最小的能量需求来存储或处理数据。

热霍尔效应（THE）在识别凝聚态中的奇异状态方面发挥着关键作用。该效应基于热电流通过样品并施加垂直磁场时产生的微小横向温差（见图 2）。通过对热霍尔效应进行定量测量，我们可以将奇异激发与常规行为区分开来。

如果施加纵向温差，热霍尔效应会导致极小的横向温差。磁场垂直穿透样品。资料来源：D. Kojda/HZB

在各种材料中都能观察到热霍尔效应，包括自旋液体、自旋冰、高温超导体的母相以及具有强极性的材料。然而，垂直于样品中温度梯度的热差异非常小：在典型的毫米级样品中，热差异在微开尔文到毫开尔文之间。迄今为止，由于测量电子设备和传感器引入的热量掩盖了这种效应，因此很难通过实验检测到这些热差。

由博士 Klaus Habicht 博士领导的团队目前已经开展了开创性的工作。他们与来自 HZB 样品环境的专家一起，开发出了一种具有模块化结构的新型样品棒，可以插入各种低温磁体中。样品头使用电容测温法测量热霍尔效应。这利用了专门制造的微型电容器的电容随温度变化的特性。利用这一装置，专家们成功地大幅减少了通过传感器和电子元件的热传导，并通过多项创新减弱了干扰信号和噪音。为了验证这种测量方法，他们分析了一个钛酸铽样品，其在磁场下不同晶体方向的热导率是众所周知的。测量数据与文献资料非常吻合。

第一作者丹尼-科伊达（Danny Kojda）博士说："解析亚毫开尔文范围温差的能力让我非常着迷，这也是更详细研究量子材料的关键所在。我们现在已经共同开发了一套复杂的实验设计、清晰的测量协议和精确的分析程序，从而实现了高分辨率和可重复的测量"。

系主任克劳斯-哈比希特（Klaus Habicht）补充道："我们的工作还为如何进一步提高未来低样品温度仪器的分辨率提供了信息。我要感谢所有参与其中的人员，尤其是样品环境团队。我希望该实验装置能够牢固地融入 HZB 基础设施，并实施所建议的升级"。

Habicht 的研究小组现在将利用热霍尔效应的测量结果来研究量子材料中晶格振动或声子的拓扑特性。"离子晶体中热霍尔效应的微观机制和散射过程的物理学原理远未被完全理解。令人兴奋的问题是，为什么非磁性绝缘体中的电中性准粒子会在磁场中发生偏转，"Habicht 说。通过这台新仪器，研究小组现在已经具备了回答这个问题的先决条件。