NCN OPUS 11: 2016/21/B/ST3/02361

Efekt Nernsta i siła termoelektryczna w obecności krzywizny Berry'ego w topologicznych semimetalach Weyla

kierownik: prof. dr hab. T. Cichorek

Opis

Istnienie wspólnych zagadnień zarówno dla fizyki wysokich energii, jak i fizyki materii skondensowanej pozwala na lepsze rozumienie efektów towarzyszących spontanicznemu łamaniu symetrii, przemianom fazowym i innym podstawowym zjawiskom w przyrodzie, często o ważnych konsekwencjach dla praktycznych zastosowań z wykorzystaniem magnetyków, nadprzewodników czy materiałów niskowymiarowych. Obecnie jesteśmy świadkami przełomu, jaki się dokonuje w poszukiwaniu cząstki pozbawionej masy, a która istnienie przewidział Herman Weyl ponad 85 lat temu.

Przez wiele lat uważano, że hipotetyczną, niezwykle ruchliwą cząstką Weyla jest neutrino. Dopiero w roku 1998 okazało się, że neutrino, choć bardzo lekkie, nie jest zupełnie pozbawione masy. Za to odkrycie, Takaaki Kajita i Arthur B. McDonald zostali uhonorowani nagrodą Nobla z fizyki w 2015 r. Zwykle nowych cząstek poszukuje się w coraz to potężniejszych akceleratorach, ale tym razem fermiony Weyla zostały po raz pierwszy zaobserwowane w 2015 roku w małym monokrysztale o wcale nieskomplikowanej strukturze krystalicznej. Odkrycie to stało się możliwe dzięki współczesnym obliczeniom teoretycznym, które uwzględniając w opisie materii skondensowanej zarówno subtelne efekty kwantowe, jak i relatywistyczne wskazały na zadziwiające własności pewnych semimetali o nietrywialnej topologii. Semimetal Weyla charakteryzuje się strukturą pasmową, w której niezdegenerowane pasma o liniowej dyspersji posiadają punkty styczne w przestrzeni pędów. Z uwagi na nietrywialne własności topologiczne, fermiony Weyla są bardzo stabilne. Co więcej, fermiony Weyla są bardziej efektywnym nośnikiem ładunku niż elektrony, gdyż poruszają się z prędkością porównywalną z prędkością światła i nie ulegają rozproszeniu wstecznemu. Zdaniem naukowców z Princeton University – odkrywców niezwykłych własności monokryształu arsenku tantalu – dzięki fermionom Weyla możliwe będzie skonstruowanie szybszych i bardziej efektywnych urządzeń elektronicznych. Co więcej, fizyka fermionów Weyla jest tak dziwna, że może pojawić się wiele ich zastosowań, których obecnie nawet nie potrafimy sobie wyobrazić.Celem naukowym projektu Efekt Nernsta i siła termoelektryczna w obecności krzywizny Berry'ego w topologicznych semimetalach Weyla jest poszukiwanie eksperymentalnych dowodów na istnienie fermionów Weyla w układach trójwymiarowych, których chiralne własności są wynikiem sprzężenia ruchu orbitalnego elektronów z ich spinowym momentem magnetycznym. Badając wpływ silnych pól magnetycznych w zakresie ultra-niskich temperatur na własności termoelektryczne wybranych pniktydków metali przejściowych, planuje się, często po raz pierwszy w świecie, określenie wpływu nietrywialnej krzywizny Berry'ego na efekty Nernsta i Seebecka. Oczekuje się, że wyjątkowa czułość efektu Nernsta na zmianę pola magnetycznego pozwoli nie tylko na dogłębne zrozumienie ich struktury pasmowej, ale również odsłoni jej nieznane dotąd aspekty. Przypuszcza się, że dla topologicznych semimetali o małej powierzchni Fermiego możliwe będzie osiągniecie limitu kwantowego. Określenie własności semimetalu Weyla, gdy wszystkie elektrony znajdują się na pierwszym poziomie Landaua, pozwoli wyjaśnić ważkie zagadnienie dotyczące stopnia degeneracji pasm o liniowej dyspersji. Innymi słowy przybliży nas do odpowiedzi na pytanie, czy do opisu niezwykle ruchliwych cząstek w istocie jest uprawnione stosowanie hamiltonianu Weyla. Istotnym aspektem związanym z analizą wpływu krzywizny Berry’ego na własności termoelektryczne trójwymiarowych układów o nietrywialnej topologii są badania porównawcze semimetali Weyla i Diraca. Wyniki pomiarów współczynników Nernsta i Seebecka w zakresie słabych pól magnetycznych i w granicy T = 0 będą analizowane w oparciu o istniejące modele teoretyczne, zgodnie z którymi należy oczekiwać jakościowo różnego anomalnego efekt Nernsta w semimetalach Weyla i Diraca. Wszystkie eksperymenty planuje się wykonać w Laboratorium Ultra-Niskich Temperatur INTiBS PAN we Wrocławiu, wykorzystując dwie ³He-⁴He chłodziarki rozcieńczalnikowe [T_base = 75 mK + B ≤ 14.5 T (16 T @ 2 K); T_base = 35 mK + B ≤ 7.7 T] umożliwiające m.in. pomiary siły termoelektrycznej, efektu Nernsta, oporu elektrycznego i efektu Halla.

Publikacje

• Detection of relativistic fermions in Weyl semimetal TaAs by magnetostriction measurements.

  T. Cichorek, Ł. Bochenek, J. Juraszek, Yu. V. Sharlai, G. P. Mikitik

  Nat Commun 13, 3868 (2022)

• Nonsaturating extreme magnetoresistance and large electronic magnetostriction in LuAs

  J. Juraszek, L. Bochenek, A. Rudenko, M. M. Hosen, M. Daszkiewicz, Z. Wang, J. Wosnitza, Z. Henkie, M. Samsel-Czekała, M. Neupane, and T. Cichorek

  Phys. Rev. Research 1, 032016(R) – opublikowano: 7 listopad 2019

Doniesienia konferencyjne

Międzynarodowa Konferencja: International Conference on Magnetism, San Francisco (2018) –

Extremely large magnetoresistance in the regular semimetal LuAs, Międzynarodowa Konferencja: International Conference on Strongly Correlated Electron Systems, Praga (2017) –  J. Juraszek, A.Rudenko, Ł.Bochenek, M. Daszkiewicz, Z.Wang, J.Wosnitza, Z. Henkie, M. Samsel-Czekała, and T. Cichorek (plakat). 

Non-saturating extreme magnetoresistance in the regular semimetal LuAs, Międzynarodowa Konferencja: International Conference on Low Temperature Physics, Gothenburg, Sweden (2017) –  A. Rudenko, J. Juraszek, Ł. Bochenek, M. M. Hosen, M. Daszkiewicz, Z. Wang, J. Wosnitza, Z. Henkie,  M. Samsel-Czekała, M. Neupane, and T.  Cichorek (plakat). 

Extreme magnetoresistance in the regular semimetal LuAs, Europejska Konferencja: European Conference Physics of Magnetism, Poznań, Poland (2017) –  J. Juraszek, A. Rudenko, Ł. Bochenek, M. Daszkiewicz, Z. Wang, J. Wosnitza, Z. Henkie, M. Samsel-Czekała, and T. Cichorek (plakat). 

Najważniejsze zakupy

Kriostat ⁴He z rotatorem

Zaplanowane w grancie badania w temperaturach milikelwinowych wymagają bardzo rygorytycznej selekcji próbek. W tym celu zakupiono kriostat ⁴He typu VTI (ang. Variable Temeprature Insert), który pozwoli na wykonanie pomiarów w temepraturach poza normalnym zakresem pracy chłodizarek rozcieńczalnikowych. Układ wyposażony w śluzę pozwoli również na szybką wymianę próbek, co w konsekwencji poprawi ekonomiczność prowadzonych badań. Zastosowanie rotatora pozwoli na wykonanie pomiarów zależności kątowej magnetooporu. Zobserwowanie wyraźnego efektu Schubnikova-de Haasa nie tylko wskaże na wysoką jakość badanych monokryształów, ale niesie ze sobą szczegółową informację o pasmach nośników ładunku biorących udział w zjawiskach transportowych.

Podstawowe Parametry

• zakres temperatury 1.7 K ≤ T ≤ 300 K
• śluza do wymiany próbek bez koniecznosci podgrzewania kriostatu
• mechaniczny rotator
• pełny obrót 360^o
• określenie położenia przez oprogramowanie sterujące na podstawie obliczń kroku
• 3 pary przewodów pomiarowych doporwadzonych do obrotowego stolika

Pikowoltomierz

Jednym z kluczowych aspektów realizacji projektu jest wykonanie pomiarów siły termoelektrycznej i efektu Nernsta w milikelwinowych temperaturach - w gradiencie odpowiadającym zaledwie 5% różnicy temperatur między zimnym a ciepłym terminalem. Ze względu na złożone aspekty techniczne pomiary poniżej 0.5 K są wykonywane tylko w kilku laboratoriach na świecie, m. in. ISSP na Uniwersytecie w Tokio czy w MPI CPfs w Dreźnie. Do niedawna jedynym sposobem pomiarów napięć tak małych jak 10^-11 V były pikowoltomierze, których budowa opierała się na SQUID-ach. To rozwiązanie nie sprawdza się w przypadku wykonania pomiarów polach magnetycznych przewidzianych w tym grancie. Pikowoltomierz P13 stanowi niezależną od pola magnetycznego alternatywę dla pomiarów z wykorzystaniem SQUID-a, gdyż został zaprojektowany specjalnie, w celu pomiarów bardzo małych termonapięć.

Podstawowe Parametry

• rozdzielczość ≤ 20 pV
• dryft temperaturowy ≤ 300 pV/K
• stała czasowa 250 ms ≤ τ ≤ 300 s
• zasilanie bateryjne ≤ 100 godz.
• wyjścia analogowe ± 1V
• izolowane galwanicznie wyjście zapewniające precyzję ± 1%

Zasilacze awaryjne UPS

Aby zrealizować przewidziane w projekcie pomiary wysokorozdzielcze nanowoltowych termonapięć konieczne jest wyeliminowanie jak największej liczby zakłóceń lub zredukowanie ich na ile to tylko jest możliwe. Obserwując wyraźnie lepszą jakość pomiarów pikwoltomierza P13 pracującego na baterii podjęto kroki do odseparowania galwanicznego pozostałych przyrządów pomiarowych, biorących udział w eksperymencie, oraz przejście na zasilanie bateryjne. W tym celu zakupiono zasilacze awaryjne wyposażone zarówno w baterie wewnętrze jak i zewnętrzne. Urządzenia pracując w trybie on-line podają na wyjściu tylko prąd przetworzony z baterii. To rozwiązanie eliminuję, krótkie opóźnienie, które towarzyszy przełączeniu między zasilaniem sieciowym a akumulatorowym, występujące w innych UPS-ach.

Podstawowe Parametry

• rozdzielczość ≤ 20 pV
• dryft temperaturowy ≤ 300 pV/K
• stała czasowa 250 ms ≤ τ ≤ 300 s
• zasilanie bateryjne ≤ 100 godz.
• wyjścia analogowe ± 1V
• izolowane galwanicznie wyjście zapewniające precyzję ± 1%

Plan badań

1. Semimetal Weyla TaAs: Badanie zależności kątowej magnetooporu do B = 16 T. Selekcja próbek.
2. Semimetal Weyla TaAs: Efekt Nernsta i termosiła dla wyselekcjonowanej próbki(ek) do T = 0.1 K i B = 16 T.
3. Semimetal Weyla TaAs: Pomiar zależności kątowej rozszerzalności termicznej dla wyselekcjonowanej próbki do T = 0.05 K i B = 7.7 T.
4. Semimetal Diraca Cd3As2: Badanie zależności kątowej magnetooporu do B = 16 T. Selekcja próbek. Badanie faz cento- i niecentrosymetrycznej.
5. Semimetal Diraca Cd3As2: Efekt Nernsta i termosiła dla wyselekcjonowanej próbki(ek) do T = 0.1 K i B = 16 T. Badanie faz cento- i niecentrosymetrycznej.
6. Semimetal Diraca Cd3As2: Pomiar zależności kątowej rozszerzalności termicznej dla wyselekcjonowanej próbki(ek) do T = 0.05 K i B = 7.7 T. Badanie faz cento- i niecentrosymetrycznej.
7. Krystaliczny izolator topologiczny Pb-Sn-Se: Efekt Nernsta i termosiła do T = 0.1 K i B = 16 T Semimetal Weyla II rodzaju: Badanie zależności kątowej magnetooporu do B = 16 T. Selekcja próbek.
8. Semimetal Weyla II rodzaju: Efekt Nernsta i termosiła dla wyselekcjonowanej próbki(ek) do T = 0.1 K i B = 16 T
9. Semimetale Weyla (nowe materiały) - opcja: Badanie zależności kątowej magnetooporu do B = 16 T. Selekcja próbek
10. Semimetale Weyla (nowe materiały) - opcja: Efekt Nernsta i termosiła dla wyselekcjonowanej próbki(ek) do T = 0.1 K i B = 16 T