【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】中科院強磁場科學(xué)中心張警蕾副研究員、田明亮研究員，南方科技大學(xué)盧海舟教授，上海師范大學(xué)王春明教授組成的研究團隊，利用穩(wěn)態(tài)強磁場裝置，研究了拓?fù)洳牧蟌rTe5在強磁場下的反常熱電效應(yīng)，相關(guān)研究成果以Anomalous thermoelectric effects of ZrTe5 in and beyond the quantum limit為題在美國物理學(xué)會期刊《物理評論快報》(Physical Review Letters)上發(fā)表。
 

　　ZrTe5是一種兼具一維鏈狀和二維層狀結(jié)構(gòu)特點的拓?fù)洳牧?。前期研究結(jié)果表明，通過施加壓力、應(yīng)力或改變溫度，ZrTe5可在不同的拓?fù)鋺B(tài)之間轉(zhuǎn)換。除了豐富的拓?fù)鋺B(tài)，ZrTe5的量子極限相對較低，只需要較小的磁場就可以使其達(dá)到量子臨界。近年來ZrTe5在強磁場下所表現(xiàn)出的新奇物理現(xiàn)象也受到學(xué)術(shù)界廣泛關(guān)注。
 

　　在該項工作中，研究人員對ZrTe5單晶樣品在強磁場下的熱電效應(yīng)(塞貝克效應(yīng)和能斯應(yīng))進行了深入研究。實驗觀察到在低溫下由狄拉克費米子導(dǎo)致的反常能斯應(yīng)。隨著磁場的增強，ZrTe5的塞貝克系數(shù)和能斯應(yīng)都表現(xiàn)出明顯的量子振蕩。當(dāng)磁場達(dá)到5.2特斯拉時，ZrTe5所有電子都占據(jù)在低朗道能級，即系統(tǒng)處于量子極限。前期理論預(yù)測表明，進入量子極限后，狄拉克/外爾半金屬的熱電勢將隨著磁場的增強呈非飽和的增長，但是ZrTe5的塞貝克系數(shù)在5特斯拉以上出現(xiàn)反常的“鼓包”。
 

　　為了揭示ZrTe5在量子極限以上反常熱電效應(yīng)的機理，張警蕾通過不斷改進測試方案，克服了水冷磁體振動和噪聲大等困難，成功在水冷磁體33特斯拉強磁場下實現(xiàn)了對單晶樣品的熱電效應(yīng)測量。實驗發(fā)現(xiàn)ZrTe5的塞貝克系數(shù)在臨界磁場B*為14特斯拉達(dá)到小值，收斂為零，然后隨著磁場增加又開始上升(圖(a))。與此同時，ZrTe5能斯特信號在該臨界磁場附近發(fā)生符號的改變(圖(b))。理論計算表明，由于ZrTe5體態(tài)導(dǎo)帶和價帶具有能帶反轉(zhuǎn)的特性，進入量子極限后，ZrTe5電子和空穴的第零朗道能級會在臨界磁場發(fā)生交匯(如圖(c)所示)。因此，在該臨界磁場附近，ZrTe5塞貝克系數(shù)出現(xiàn)一個為零的谷值，同時能斯特信號發(fā)生符號的轉(zhuǎn)變。通常情況下，作為拓?fù)浞瞧接贵w態(tài)的特征，能帶反轉(zhuǎn)這一特性很難通過電輸運實驗直接探測。該項工作表明強磁場下熱電效應(yīng)的測量可作為探測拓?fù)洳牧夏軒Х崔D(zhuǎn)的直接實驗手段。
 

　　該研究得到了國家自然科學(xué)基金、中科院青年促進會、中科院科研儀器設(shè)備研制項目、合肥物質(zhì)科學(xué)技術(shù)中心創(chuàng)新項目培育基金等項目的大力支持。
 

　　圖：ZrTe5(a)塞貝克系數(shù)以及(b)能斯應(yīng)隨磁場的變化關(guān)系。(c) 理論計算ZrTe5朗道能級隨磁場的變化關(guān)系。右上：水冷磁體熱電效應(yīng)測試裝置。