Höhere Messgenauigkeit öffnet neues Fenster in die Quantenwelt
Für den neuen Probenstab mit Probenhalter hat das HZB-Team mehrere Innovationen entwickelt, die das Rauschen unterdrücken und Temperaturmessungen mit extremer Präzsion ermöglichen. © D. Kojda /HZB
Abb. 2: In Längsrichtung der Probe liegt eine Temperaturdifferenz an. Durch den Thermischen Hall-Effekt entsteht eine sehr kleine transversale Temperaturdifferenz. Das Magnetfeld dringt senkrecht durch die Probenebene. © D. Kojda /HZB
Ein Team am HZB hat ein neues Messverfahren entwickelt, um winzigste Temperaturdifferenzen im Bereich von 100 Mikrokelvin beim thermischen Hall-Effekt erstmals genau zu erfassen. Aufgrund von thermischem Rauschen konnten solche Temperaturunterschiede bislang nicht quantitativ vermessen werden. Am Beispiel von Terbiumtitanat, dessen Eigenschaften gut bekannt sind, zeigte das Team, dass die Messmethode höchst verlässliche Ergebnisse liefert. Der thermische Hall-Effekt gibt Auskunft über kohärente Vielteilchenzustände in Quantenmaterialien und nutzt dazu ihre Wechselwirkung mit Gitterschwingungen (Phononen).
Natürlich gelten die Gesetze der Quantenphysik in allen Materialien. Doch in den so genannten Quantenmaterialien führen diese Gesetze zu besonders ungewöhnlichen Eigenschaften. So lassen sich zum Beispiel durch Magnetfelder oder Veränderungen der Temperatur Anregungen, kollektive Zustände oder Quasiteilchen hervorrufen, die mit Phasenübergängen in exotische Zustände einhergehen. Dies lässt sich vielfältig nutzen, sofern man es verstehen, kontrollieren und steuern kann. Zum Beispiel für künftige Informationstechnologien, die Daten mit nur minimalem Energiebedarf speichern oder verarbeiten können.
Der thermische Hall-Effekt (THE) spielt eine Schlüsselrolle, um exotische Zustände in kondensierter Materie zu identifizieren. Dabei handelt es sich um eine winzige Wärmedifferenz, die quer zu einem angelegten Temperaturgradienten entsteht, sobald ein senkrechtes Magnetfeld die Probe durchdringt (siehe Abbildung 2). Insbesondere ermöglicht die quantitative Messung des thermischen Hall-Effekt es, die exotischen Anregungen von konventionellem Verhalten zu trennen. Der thermische Hall-Effekt wird in einer Vielzahl von Materialien beobachtet, darunter Spin-Flüssigkeiten, Spin-Eis, Mutterphasen von Hoch-Temperatur-Supraleitern und Materialien mit stark polaren Eigenschaften. Allerdings sind die Wärmedifferenzen, die senkrecht zum Temperaturgradienten in der Probe entstehen, extrem winzig: 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.
Pionierarbeit mit neuem Probenhalter
Das Team um PD Dr. Klaus Habicht hat nun Pionierarbeit geleistet. Gemeinsam mit den Spezialisten aus der HZB-Probenumgebung haben sie einen neuartigen Probenstab mit modularem Aufbau entwickelt, der in verschiedene Kryomagnete eingesetzt werden kann. Der Probenkopf nimmt die Probe auf und misst mit kapazitiver Thermometrie den thermischen Halleffekt. Dabei wird die Temperaturabhängigkeit der Kapazität von eigens zu diesem Zweck angefertigten Miniaturkondensatoren genutzt. Mit dem Aufbau gelang es den Experten mit mehreren Innovationen, die Wärmeübertragung durch Sensoren und Elektronik deutlich zu verringern und Störsignale und Rauschen zu dämpfen. Um das Messverfahren zu validieren, untersuchten sie eine Probe aus Terbiumtitanat, dessen Wärmeleitfähigkeit in unterschiedlichen Kristallrichtungen unter Magnetfeld gut bekannt ist. Die Messdaten stimmten ausgezeichnet mit der Literatur überein.
Messverfahren weiter verbessern
„Die Fähigkeit, Temperaturdifferenzen im sub-Millikelvin-Bereich aufzulösen, fasziniert mich sehr und ist ein Schlüssel, um Quantenmaterialien eingehender zu untersuchen“, sagt Erstautor Dr. Danny Kojda. „Wir haben nun gemeinsam ein durchdachtes Experimentdesign, klare Messprotokolle und präzise Analyseverfahren entwickelt, die hochauflösende und reproduzierbare Messungen erlauben“. Abteilungsleiter Klaus Habicht fügt an: „Unsere Arbeit liefert auch Hinweise zur weiteren Verbesserung der Auflösung in zukünftigen Instrumenten, die auf tiefe Probentemperaturen abzielen sollen. Mein Dank geht an alle Beteiligten, insbesondere auch das Team aus der Probenumgebung. Ich hoffe, dass der experimentelle Aufbau fest in die HZB-Infrastruktur integriert wird und die vorgeschlagenen Upgrades umgesetzt werden.“
Ausblick: Topologische Eigenschaften von Phononen
Die Gruppe um Habicht wird nun Messungen des thermischen Hall-Effekts dazu nutzen, um topologische Eigenschaften von Gitterschwingungen in Quantenmaterialien zu untersuchen. „Die mikroskopischen Mechanismen und die Physik der Streuprozesse für den thermischen Hall-Effekt in Ionenkristallen sind bei weitem nicht abschließend verstanden. Die spannende Frage lautet: Warum werden elektrisch neutrale Quasiteilchen in nicht-magnetischen Isolatoren dennoch im Magnetfeld abgelenkt?“, sagt Habicht. Mit dem neuen Instrument hat das Team nun die Voraussetzung geschaffen, um diese Frage aufzuklären.
- Nanosilber als Elektrokatalysator für die CO₂-VerwertungDurch Elektrolyse lässt sich CO2 zu CO reduzieren, einem Ausgangsstoff für weitere chemische Produkte wie beispielsweise Kraftstoffe. Im Rahmen des GreenQUEST-Projekts hat ein internationales Team um den HZB-Chemiker Prashanth Menezes Katalysatorschichten aus Silbernanopartikeln systematisch untersucht und dabei sowohl die Partikelgröße als auch deren Dichte variiert. Die beste Ausbeute wurde mit Nanopartikeln mit Durchmessern von etwa 10 nm erzielt, die locker verteilt waren. Darüber hinaus zeigten sie, wie sich die Wirtschaftlichkeit der elektrochemischen Zelle durch eine zusätzliche chemische Reaktion an der Anode verbessern lässt, indem gleichzeitig wertvolle Ameisensäure, Wasserstoff und CO erzeugt wird.
- BESSY II: Erster Film von Spinwellen im Nano-OszillatorSpin-Hall-Nano-Oszillatoren sind winzige Bauelemente auf Basis von ultradünnen CoFeB-Schichten. Sie wandeln Gleichstrom in Mikrowellensignale um und gelten als Option für eine besonders effiziente drahtlose Kommunikation oder für eine neue Technologie der Datenverarbeitung, die vom Gehirn inspiriert ist. Ein schwedisch-deutsches Team konnte nun an BESSY II zum ersten Mal die Magnetisierungsdynamik im Inneren eines solchen Spin-Hall-Nano-Oszillators abbilden, sozusagen filmen. Dazu nutzten sie die zeitaufgelöste Röntgen-Rastertransmissionsmikroskopie am MAXYMUS-Instrument. Die Abbildungen zeigen Merkmale von Spinwellen, die in den bisherigen indirekten Messverfahren nicht sichtbar waren. Die Studie ist in „Advanced Materials“ veröffentlicht.
- Neues Verfahren kann MRT-Bildgebung künftig präziser machenEin Team aus Universität Stuttgart und HZB hat ein neues Verfahren entwickelt, das Aufnahmen im MRT künftig noch präziser machen kann. Dazu eliminierten die Forschenden einen entscheidenden Störfaktor im Messverfahren: die sogenannte Totzeit. Dadurch können Signale erfasst werden, die bei herkömmlichen Verfahren verloren gehen. Das Verfahren eröffnet neue Perspektiven für die medizinische Diagnostik und zerstörungsfreie Untersuchungen von Werkstoffen. Der neue Ansatz ist in der Fachzeitschrift Science Advances erschienen.