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          北京大學:吳孝松課題組發現狄拉克半金屬在量子極限下的霍爾熱電導平臺

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            近日,北京大學物理學院吳孝松研究員與南方科技大學張立源教授、美國麻省理工學院傅亮教授、佈魯克海文國傢實驗室顧根大教授等合作,在強磁場下使得狄拉克半金屬ZrTe5進入量子極限態,觀測到瞭巨大的磁熱電效應和不同尋常的霍爾熱電導平臺,並給出瞭理論解釋。該工作以“Observation of a thermoelectric Hall plateau in the extreme quantum limit”為題,於2月25日發表在期刊《自然·通訊》上。

            拓撲狄拉克半金屬和外爾半金屬是近年來凝聚態物理的研究熱點,大大拓展瞭人們對物態的認識。同時,這一體系獨特的能帶結構使其表現出和傳統電子體系截然不同的性質,有希望帶來各種應用。比如最近有理論提出,拓撲材料中的反常熱電行為,可能大幅提高熱電轉換效率。這些與眾不同的性質往往在能帶的奇點——狄拉克/外爾點處最能得到體現。然而實際材料中,費米面離狄拉克/外爾點都較遠,這對材料的生長和調控提出瞭挑戰。

            這項研究制備瞭高品質的ZrTe5晶體,樣品具有極低的載流子濃度和超高遷移率,從而能夠探測狄拉克點附近的本征性質。實驗測量瞭材料在低溫、高磁場下的熱電性質。熱電效應是依靠溫度梯度產生載流子輸運的過程。電輸運受外在因素,如雜質散射的強烈影響,且本質上為非平衡態,而霍爾熱電導反映體系的本征平衡態熱力學性質。研究發現,熱電塞貝克系數和能斯特系數在磁場下顯著且持續增強,證實瞭以前的理論預言。更重要的是,在量子極限下,不同溫度的霍爾熱電導逐漸趨於一個正比於溫度的平臺。平臺值與磁場大小、雜質散射、載流子類型、濃度等均無關,僅與費米速度和一些自然常數相關,反映瞭體系的內在性質。理論分析表明,該平臺的出現是三維狄拉克/外爾費米子在量子極限下的獨特輸運行為,為研究此類拓撲體系提供瞭獨特的研究手段,也證明瞭拓撲半金屬材料在熱電領域的應用潛力。

            霍爾熱電導:(a)不同溫度下,熱電導與溫度之比隨磁場的變化;在高磁場范圍,熱電導數值趨於定值。(b)不同磁場下,熱電導與溫度的關系

            這項工作的通訊作者為吳孝松、張立源和傅亮;第一作者為物理學院博士生章文傑、南方科技大學王培培博士和麻省理工學院Skinner博士。

            該研究受到國傢重點基礎研究發展規劃項目(2016YFA0300600)、國傢自然科學基金(No. 11574005,No. 11774009)等的支持。

            論文信息:

            Zhang, W., Wang, P., Skinner, B.et al.Observation of a thermoelectric Hall plateau in the extreme quantum limit.Nat Commun11,1046 (2020).

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