研究深化对拓扑材料量子输运的理解

内部简报

• 研究人员在拓扑绝缘体 ZrTe₅ 中观察到了异常的量子振荡，这种振荡在极端磁场和接近绝对零度的条件下，即使超越了量子极限依然存在。
• 该研究将这种行为归因于由电子自旋、轨道运动和强自旋轨道耦合相互作用引起的“重入朗道能级”（reentrant Landau levels），而非多体相互作用。
• 研究结果表明，先前报道的 ZrTe₅ 振荡差异可能源于相同的基础狄拉克电子结构，载流子浓度和费米面大小决定了所观察到的行为。
• 图片：(a) 拓扑绝缘体 ZrTe₅ 在极端磁场和低温下的电阻；(b) 在高磁场区域观察到的非周期性或反常量子振荡。(Cauê Kaufmann Ribeiro)

新闻稿 — 5月，一项发表在 Nature Communications 上的研究确定了三维拓扑绝缘体中一种不寻常的量子振荡机制。结果显示，当处于接近绝对零度的温度和极端磁场中时，五碲化锆 (ZrTe₅) 材料中的电子表现出偏离常规理论预测模式的行为。

这项研究由巴西圣保罗大学 (USP)、洛斯阿拉莫斯国家实验室和华盛顿大学等美国机构的研究人员领导，结合了在高达 60 tesla 磁场和约 0.7 kelvin (-272.45 °C) 温度下进行的电输运实验以及详细的理论建模。

“这项工作扩展了我们对物质奇异相中电子输运的理解，并表明拓扑绝缘体不仅支持电荷的输运，还支持另一种基本的自由度：电子自旋，”圣保罗大学物理研究所 (IF) 教授、极端条件下量子物质实验室 (LQMEC) 联合创始人兼主任 Julio Larrea Jiménez 表示。

Larrea 是文章第一作者 Cauê Kaufmann Ribeiro 的博士导师。Ribeiro 在 FAPESP 海外研究实习项目的资助下，在美国洛斯阿拉莫斯国家强磁场实验室实习期间完成了大部分实验。在那里，他由 Johanna Palmstrom 和 Sean Thomas 共同指导。

双重身份

拓扑绝缘体内部表现为绝缘体，但在其表面导电。这种特性源于能带的拓扑结构，或者是受晶体对称性保护的电子态量子结构的全局特征。

ZrTe₅ 特别令人感兴趣，因为该材料处于不同拓扑相之间的边界。温度、机械变形、成分或磁场的极小变化都能改变其电子响应。因此，ZrTe₅ 已成为研究固体中拓扑相变和相对论准粒子的首选平台。

通常，当电子在磁场中运动时，它们的轨道不再具有连续的能量。量子力学规定了离散的能量值，称为朗道能级（Landau levels），是以伟大的苏联物理学家和数学家 Lev Landau (1908–1968) 命名的。在极纯的金属中，这些能级相继穿过费米能级（分隔被占据和未被占据电子态的能量值），从而产生电阻的周期性振荡。这些振荡被称为舒勃尼科夫-德哈斯振荡 (Shubnikov–de Haas oscillations)，在 1/B（B 为磁场）中表现出规则的周期性。