Исследователи подвергали топологический материал экстремальным условиям, фиксируя аномальное квантовое поведение электронов. Фото: AI/ScienceDaily.com
Научно-популярный портал ScienceDaily знакомит читателей с недавним экспериментом, заставившим физиков пересмотреть привычные представления о квантовых процессах в твёрдом теле. Объектом изучения стал пентателлурид циркония (ZrTe5), относящийся к трёхмерным топологическим изоляторам. Под воздействием температур, близких к абсолютному нулю, и колоссальных магнитных полей его электроны демонстрируют колебательные явления, не предусмотренные традиционными теоретическими схемами.
К проекту присоединились исследователи из Университета Сан-Паулу (USP) в Бразилии, Национальной лаборатории Лос-Аламоса, Вашингтонского университета и ряда других американских научных учреждений. Основой экспериментальной работы стали измерения электрического транспорта в полях напряжённостью до 60 Тесла при охлаждении образца до температуры около 0,7 Кельвина, то есть -272,45 °C. Полученные результаты затем сопоставляли с теоретическими моделями. Итоги опубликованы в журнале Nature Communications.
Активное участие в работе принял Хулио Ларреа Хименес — профессор Физического института USP, стоящий у истоков Лаборатории квантовой материи в экстремальных условиях (LQMEC) и являющийся её директором. Первым автором статьи значится Кауэ Рибейро, выполнявший роль докторанта под научным руководством Ларреа. Именно Рибейро провёл значительную часть измерений в Национальной лаборатории сильных магнитных полей в Лос-Аламосе, куда отправился благодаря зарубежной исследовательской стажировке, профинансированной FAPESP. Во время эксперимента он работал под руководством Джоанны Палмстром и Шона Томаса.
Топологические изоляторы — это удивительный класс веществ, в которых объём остаётся изолятором, а поверхность беспрепятственно проводит электрический ток. Такое поведение напрямую связано с топологией электронных зон, защищённой кристаллической симметрией материала. ZrTe5 пользуется особым вниманием физиков, поскольку находится в непосредственной близости от границы, разделяющей разные топологические фазы. Незначительные изменения температуры, механической деформации, химического состава или внешнего магнитного поля могут полностью перестроить электронную структуру этого соединения, что делает его идеальным полигоном для исследования топологических фазовых переходов и релятивистских квазичастиц.
Аномальные колебания за пределами ожиданий
Стандартная теория квантовых осцилляций в металлах опирается на концепцию уровней Ландау, названных в честь выдающегося советского физика и математика Льва Ландау. Когда электрон движется в магнитном поле, его энергетический спектр распадается на дискретные уровни. При изменении магнитного поля эти уровни могут поочерёдно проходить через уровень Ферми — энергетический барьер между заполненными и незаполненными состояниями, что порождает осцилляции сопротивления, известные как эффект Шубникова-де Гааса. Для подавляющего большинства таких явлений характерна строгая периодичность в переменной 1/B (B — индукция магнитного поля).
В пентателлуриде циркония, однако, картина принципиально иная. Обнаруженные колебания магнитосопротивления не подчиняются этой канонической периодичности, а самое поразительное — они упорно продолжаются в области, лежащей далеко за квантовым пределом. В этом режиме, согласно доминирующим представлениям, электроны обязаны занимать лишь самый нижний уровень Ландау, что должно полностью погасить любые осцилляции. Реальность же оказалась иной: аномальные колебания исчезать не собирались.
Учёные объясняют подобное своенравие электронов решающей ролью их спина. В соединениях, приближающихся к топологическому фазовому переходу, обычные электроны утрачивают свои привычные черты, а их возбуждения трансформируются в квазичастицы, схожие с дираковскими фермионами. Как только включается сверхсильное магнитное поле, энергетические уровни системы начинают формироваться под влиянием взаимодействия между спином и полем, что приводит к нестандартному поведению уровней Ландау.
«Эта работа расширяет наше понимание переноса электронов в экзотических фазах материи и предполагает, что топологические изоляторы обеспечивают перенос не только заряда, но и другой фундаментальной свободы: спина электрона», — прокомментировал результаты Хулио Ларреа Хименес.
свернуться» и снова пересечь ее. Это необычное поведение и есть то, что мы называем реентерабельными уровнями Ландау». — говорит Кауфманн.
Чтобы объяснить этот эффект, исследователи используют процесс, известный как «изгиб назад». уровни Ландау. Вместо того, чтобы изменить свою силу в простом и прямом прогрессе по мере увеличения магнитного поля, некоторые уровни Ландау могут отклониться назад к взгляду Ферми и снова пересечь его. Эти новые пересечения порождают дополнительные колебания в режиме, в котором традиционная теория предсказывает, что колебания уже должны были исчезнуть.
Спин электрона меняет картину
Необычное поведение возникает в результате взаимодействия двух разных физических эффектов. Одна из них — циклотронная энергия, возникающая в результате орбитального движения электронов через магнитное поле. Другой — эффект Зеемана, который описывает связь между магнитным полем и спином электрона.
В таком материале, как ZrTe5, где спин-орбитальное взаимодействие сильно, эти два вклада можно рассматривать независимо. Спиновое движение электрона и орбитальное движение становятся переходными, в результате чего уровни энергии Ландау развиваются нелинейным образом при уменьшении магнитных полей.
Основной целью исследования было определить, какой из двух возможных подходов ответственен за аномальные колебания. Одна из возможностей заключалась в эффектах многих тел, возникших в результате коллективного взаимодействия между электронами. Другая причина связана с блокировкой топологическими явлениями, прерываниями с электронной структурой материала.
Исследователи обнаружили, что взаимодействие между несколькими электронами не требуется для объяснения поведения, наблюдаемого в их образе. Вместо этой одночастичной модели, основанной на трехмерном гамильтониане Дирака и включающей силовую спин-орбитальную связь, удалось воспроизвести экспериментальные режимы.
«Мы исходим из того, что эффект обусловлен не взаимодействием многих тел, а скорее нетривиальной топологией электронной зоны», — сказал он. Ларреа подводит итог.
разрешение противоречивых результатов в ZrTe 5
Полученные результаты могут также помочь прояснить давнюю дискуссию вокруг экспериментов с ZrTe5. Разные частицы одного и того же материала производят, по-видимому, разные виды квантовых колебаний.
Некоторые проявления проявления периодических колебаний, периодически равные 1/B. Другие повышательные колебания, непериодические по 1/B. Третьи производят сигналы, имеющие логарифмическую периодичность в B.
Согласно новым результатам, эти различия могут не требовать отдельных физических элементов. Вместо этого все эти действия могут быть результатом одной и той же электронной структуры Дирака, в результате чего в каждом изображении в значительной степени определены светильники и поверхность поверхности Ферми.
"В выборках с лампами низкой освещенности, таких как исследовательский здесь, зеемановский и циклотронный эффекты становятся сравнимыми в экспериментально доступных магнитных полях. Это обеспечивает повторный вход на уровни Ландау и делает аномальные колебания видимыми. В образцах с более высокими светильниками носители доминируют в традиционном члене, и колебания сохраняют свою обычную периодичность 1/B», — сказал он. Комментирует Ларреа.
Два спиновых канала Блокируют
Исследователи также выявили два дополнительных вклада в квантовые колебания, которые связаны с состояниями, разделенными по спине. Эти два вклада имеют разную массу и могут побудить друга друга.
Эта интерференция помогает объяснить еще одну неожиданную форму измерений. Согласно традиционной модели Лифшицы-Косевича, величина квантовых колебаний должна постепенно уменьшаться с ростом температуры. Вместо этого исследователи наблюдали локальные минимальные изменения изменений в определенных температурных режимах.
Результат показывает, что два электронных канала мешают другу, а не просто затухают стандартным способом.
Измерения углового магнитосопротивления движения и дополнительная информация о материалах. В слабых магнитных полях поверхность Ферми казалась трехмерной и примерно эллипсоидной.
Исследователи рассчитали очень низкие светильники — примерно 1016 на кубический сантиметр. Это значение согласуется с тем, что ZrTe5 находится очень близко к топологическому фазовому переходу.
Тестирование имеет значение в экстремальных условиях
Эксперименты проводятся в Национальной лаборатории сильных магнитных полей в Лос-Аламосе, одном из последних объектов в мире, способных комбинировать импульсные магнитные поля, достигающие 60 тесла, с температурой ниже 1 Кельвина.
"Эксперимент такого типа можно проводить только в нескольких точках по всему миру. Доступ к этим объектам является высококонкурентным», — сказал он. – отмечает Ларреа.
Помимо объяснений необычных квантовых колебаний, полученные результаты приводят аргументы в использовании ZrTe5 в качестве платформы для исследования дополнительных топологических фаз материи.
Исследователи предполагают, что совершенная корректировка таких факторов, как симметрия, излучающие носители, механическое напряжение, температура и магнитное поле, может привести к созданию еще более экзотических электронных волн. К ним можно сделать предварительный этап с участием квазичастиц Вейля.
«Наш эксперимент активирует первый эмпирический процесс демонстрации, который ранее был окутан противоречиями», — сказал он. Ларреа подводит итог.
Исследование также было задержано FAPESP в рамках гранта для молодых исследователей, предоставленного Ларреа. Дополнительное финансирование поступило от учреждений США, включая Национальную лабораторию Лос-Аламоса, Национальную лабораторию сильных магнитных полей, Национальный научный фонд и Министерство энергетики США.