近日，beat365官方网站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，布魯克海文國家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進入量子極限态，觀測到了巨大的磁熱電效應和不同尋常的霍爾熱電導平台，并給出了理論解釋。該工作以“Observation of a thermoelectric Hall plateau in the extreme quantum limit”為題，于2月25日發表在《自然·通訊》期刊上。
拓撲狄拉克半金屬和外爾半金屬是近年來凝聚态物理的研究熱點，大大拓展了人們對物态的認識。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。這些與衆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了挑戰。
該項研究制備了的高品質ZrTe5晶體，樣品具有極低的載流子濃度和超高的遷移率，從而能夠探測狄拉克點附近的本征性質。實驗測量了材料在低溫、高磁場下的熱電性質。熱電效應是依靠溫度梯度産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，且本質上為非平衡态，而霍爾熱電導反映體系的本征平衡态熱力學性質。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，證實了以前的理論預言。更重要的是，在量子極限下，不同溫度的霍爾熱電導逐漸趨于一個正比于溫度的平台。平台值與磁場大小、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，反映了體系的内在性質。理論分析表面該平台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了獨特的研究手段，也證明了拓撲半金屬材料在熱電領域的應用潛力。
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圖1 霍爾熱電導。(a)不同溫度下，熱電導與溫度之比随磁場的變化。在高磁場範圍，熱電導數值趨于定值。(b)不同磁場下，熱電導與溫度的關系。
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此項工作的通訊作者為吳孝松研究員，南方科技大學的張立源教授和美國麻省理工學院的傅亮教授；第一作者為beat365博士生章文傑，南方科技大學王培培博士和麻省理工學院的Skinner博士。
此項研究受到國家重點基礎研究發展規劃項目（2016YFA0300600）、國家自然科學基金（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 Commun 11, 1046 (2020).
文章鍊接：
https://www.nature.com/articles/s41467-020-14819-7
