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強磁場下ZrTe5的反常熱電效應研究取得新進展
文章来源: 张勇 发布时间: 2019-11-21

  中科院强磁场科学中心张警蕾副研究员、田明亮研究员,南方科技大学卢海舟教授,上海师范大学王春明教授组成的研究团队,利用稳态强磁场装置,研究了拓扑材料ZrTe5在强磁场下的反常热电效应,相关研究成果以Anomalous thermoelectric effects of ZrTe5 in and beyond the quantum limit为题在美国物理学会期刊《物理评论快报》(Physical Review Letters)上发表。

  ZrTe5是一種兼具一維鏈狀和二維層狀結構特點的拓撲材料。前期研究結果表明,通過施加壓力、應力或改變溫度,ZrTe5可在不同的拓撲態之間轉換。除了豐富的拓撲態,ZrTe5的量子極限相對較低,只需要較小的磁場就可以使其達到量子臨界。近年來ZrTe5在強磁場下所表現出的新奇物理現象也受到學術界廣泛關注。

  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(塞貝克效應和能斯特效應)進行了深入研究。實驗觀察到在低溫下由狄拉克費米子導致的反常能斯特效應。隨著磁場的增強,ZrTe5的塞貝克系數和能斯特效應都表現出明顯的量子振蕩。當磁場達到5.2特斯拉時,ZrTe5所有電子都占據在最低朗道能級,即系統處于量子極限。前期理論預測表明,進入量子極限後,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的塞貝克系數在5特斯拉以上出現反常的“鼓包”。

  爲了揭示ZrTe5在量子極限以上反常熱電效應的機理,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,成功在水冷磁體最高33特斯拉強磁場下實現了對單晶樣品的熱電效應測量。實驗發現ZrTe5的塞貝克系數在臨界磁場B*爲14特斯拉達到最小值,收斂爲零,然後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生符號的改變(圖(b))。理論計算表明,由于ZrTe5體態導帶和價帶具有能帶反轉的特性,進入量子極限後,ZrTe5電子和空穴的第零朗道能級會在臨界磁場發生交彙(如圖(c)所示)。因此,在該臨界磁場附近,ZrTe5塞貝克系數出現一個爲零的谷值,同時能斯特信號發生符號的轉變。通常情況下,作爲拓撲非平庸體態的特征,能帶反轉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的測量可作爲探測拓撲材料能帶反轉的直接實驗手段。

  該研究得到了國家自然科學基金、中科院青年促進會、中科院科研儀器設備研制項目、合肥物質科學技術中心創新項目培育基金等項目的大力支持。

  論文鏈接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.123.196602。

 

图:ZrTe5(a)塞贝克系数以及(b)能斯特效应随磁场的变化关系。(c) 理论计算ZrTe5朗道能级随磁场的变化关系。右上:水冷磁体热电效应测试装置。

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