強磁場下ZrTe5的反常熱電效應研究獲進展

2020-12-11 中國科學院

　　中國科學院合肥物質科學研究院強磁場科學中心副研究員張警蕾、研究員田明亮，南方科技大學教授盧海舟，上海師範大學教授王春明組成的研究團隊，利用穩態強磁場裝置，研究了拓撲材料ZrTe5在強磁場下的反常熱電效應，相關研究成果以Anomalous thermoelectric effects of ZrTe5 in and beyond the quantum limit 為題在美國物理學會期刊《物理評論快報》（Physical Review Letters）上發表。

　　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的塞貝克係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所有電子都佔據在最低朗道能級，即系統處於量子極限。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的塞貝克係數在5特斯拉以上出現反常的「鼓包」。

　　為了揭示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的塞貝克係數在臨界磁場B*為14特斯拉達到最小值，收斂為零，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，由於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匯（如圖（c）所示）。因此，在該臨界磁場附近，ZrTe5塞貝克係數出現一個為零的谷值，同時能斯特信號發生符號的轉變。通常情況下，作為拓撲非平庸體態的特徵，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為探測拓撲材料能帶反轉的直接實驗手段。

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

　　論文連結

　　圖：ZrTe5（a）塞貝克係數以及（b）能斯特效應隨磁場的變化關係。(c) 理論計算ZrTe5朗道能級隨磁場的變化關係。右上：水冷磁體熱電效應測試裝置。

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