Quanten-Hall-Kalorimetrie von Quantenmaterialien

• Antragsteller: Professor Dr. Erwann Bocquillon
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 572794977

Wärmetransport ist ein leistungsfähiges Werkzeug in der Festkörperphysik, da er Einblicke in die Dynamik von Phononen, Magnonen und exotischen Quasiteilchen ermöglicht. In stark korrelierten und niedrigdimensionalen Systemen offenbart er Phänomene wie Quantenkohärenz, Fraktionalisierung und topologische Ordnung, die sich herkömmlichen Ladungstransportmessungen oft entziehen. Bestehende Methoden zur Messung des Wärmetransports stoßen jedoch insbesondere bei Temperaturen unterhalb von 1 Kelvin an grundlegende Grenzen – etwa durch Kontaktwiderstände, parasitäre Wärmeverluste und die begrenzte Empfindlichkeit konventioneller Thermometer. Dieses Projekt schlägt eine universelle, hochpräzise Plattform für Messungen des thermischen und thermoelektrischen Transports in Quantenmaterialien vor. Dazu entwickeln wir hybride kalorimetrische Bauelemente auf Basis des Quanten-Hall- und des quantenanomalen Hall-Effekts, die Randzustände mit quantisierter elektrischer und thermischer Leitfähigkeit aufweisen. In Kombination mit einer kleinen metallischen Insel lassen sich Bauelemente konstruieren, die sowohl als stabile Heizer als auch als empfindliche Thermometer bis in den Millikelvinbereich dienen. Zum einen kann durch einen stromgetragenen Joule-Heizeffekt in den verlustfreien Randkanälen lokal Wärme in der Insel erzeugt werden. Zum anderen lässt sich durch Messung des thermischen Johnson-Nyquist-Rauschens die Temperatur der Insel mit Millikelvin-Präzision bestimmen. Die Kombination mehrerer solcher Elemente erlaubt Vierpunktmessungen des Wärmetransports über ein breites Magnetfeldspektrum (0–12 T) bei tiefsten Temperaturen (10–100 mK). Unser erstes Zielmaterial ist α-RuCl₃, ein geschichteter Van-der-Waals-Material und führender Kandidat für die Realisierung einer Kitaev-Spin-Flüssigkeit. Berichte über einen halb-quantisierten thermischen Hall-Effekt deuten auf chirale Majorana-Randzustände hin, doch diese Ergebnisse sind umstritten – unter anderem wegen möglicher Phononenbeiträge und variierender Probenqualität. Mit unserem Ansatz – basierend auf exfoliertem α-RuCl₃ und präzise kalibrierten Bauelementen – wollen wir diesen Streit klären, indem wir saubere und reproduzierbare Messungen im temperaturreduzierten Bereich ermöglichen, in dem Phononeneffekte stark unterdrückt sind. Dieses Projekt wird nicht nur einen neuartigen Messstandard etablieren, sondern auch grundlegende Fragen zur topologischen Quantenmaterie adressieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Japan
• Partnerorganisation: Japan Society for the Promotion of Science (JSPS)
• Kooperationspartner: Professor Masayuki Hashisaka, Ph.D.