|
Аномальные квантовые осцилляции в топоизоляторе
|
|
|
|
В журнале Nature Communications опубликовано исследование, в котором описан необычный режим квантовых осцилляций в трехмерном топологическом изоляторе. Результаты показывают, что при воздействии температур, близких к абсолютному нулю, и экстремальных магнитных полей электроны в материале пентателлуриде циркония (ZrTe5) демонстрируют поведение, отклоняющееся от предсказанного традиционной теорией.
|
|
|
|
Исследование, проведенное учеными из Университета Сан-Паулу (USP) в Бразилии, Национальной лаборатории Лос-Аламоса и Вашингтонского университета, а также других американских учреждений, сочетает в себе эксперименты по электрическому транспорту, проведенные в магнитных полях до 60 Тесла и при температурах около 0,7 Кельвина (-272,45 °C), с подробным теоретическим моделированием.
|
|
|
|
«Эта работа расширяет наше понимание переноса электронов в экзотических фазах материи и предполагает, что топологические изоляторы поддерживают перенос не только электрического заряда, но и другой фундаментальной степени свободы: спина электрона», — говорит Хулио Ларреа Хименес, профессор Института физики Университета Южной Филиппин (IF) и соучредитель и директор Лаборатории квантовой материи в экстремальных условиях (LQMEC).
|
|
|
|
Ларреа был научным руководителем Кауэ Кауфмана Рибейро, первого автора статьи. Рибейро провел значительную часть экспериментов во время стажировки в Национальной лаборатории сильных магнитных полей в Лос-Аламосе. Там его научными руководителями были Йоханна Палмстром и Шон Томас.
|
|
|
|
|
|
|
Двойная идентичность
|
|
|
|
Топологические изоляторы ведут себя как изоляторы внутри, но проводят электричество на своей поверхности. Это свойство обусловлено топологией электронных зон, или глобальными характеристиками квантовой структуры электронных состояний, защищенных кристаллическими симметриями.
|
|
|
|
ZrTe5 представляет особый интерес, поскольку этот материал находится вблизи границы между различными топологическими фазами. Минимальные изменения температуры, механической деформации, состава или магнитного поля могут изменить его электронный отклик. По этой причине ZrTe5 стал основной платформой для исследования топологических фазовых переходов и релятивистских квазичастиц в твердых телах.
|
|
Когда колебания перестают вести себя нормально
|
|
|
|
В общем случае, когда электроны движутся в магнитном поле, их орбиты перестают обладать непрерывной энергией. Квантовая механика накладывает дискретные значения энергии, называемые уровнями Ландау, названными в честь великого советского физика и математика Льва Ландау (1908–1968).
|
|
|
|
В очень чистых металлах эти уровни последовательно пересекают уровень Ферми — энергию, разделяющую занятые и незанятые электронные состояния, — вызывая периодические колебания электрического сопротивления. Эти колебания, известные как колебания Шубникова–де Хааса, демонстрируют регулярную периодичность в 1/B, где B — магнитное поле.
|
|
|
|
Однако в исследованном ZrTe5 произошло нечто иное. Колебания магнитосопротивления не следовали обычной периодичности 1/B и сохранялись значительно дольше квантового предела, режима, в котором электроны должны быть локализованы на самом нижнем уровне Ландау, а обычные колебания должны исчезнуть.
|
|
|
|
«В материалах, близких к топологическим фазовым переходам, электроны могут перестать вести себя как обычные частицы внутри металла. Их электронные возбуждения начинают вести себя как квазичастицы, подобные фермионам Дирака, то есть релятивистским частицам», — говорит Кауфман.
|
|
|
|
«В нашей работе мы показываем, что спин этих квазичастиц играет центральную роль: при приложении сильных магнитных полей взаимодействие между спином и магнитным полем существенно изменяет энергетические уровни электронов. В результате уровни Ландау, которые обычно удалялись бы от соответствующей энергии системы, могут «вернуться» и снова пересечь её. Это необычное поведение мы называем реентрантными уровнями Ландау».
|
|
|
|
Предложенное авторами объяснение включает механизм, известный как «обратное изгибание» уровней Ландау. Проще говоря, энергия этих уровней не изменяется по прямой линии с магнитным полем. Она может изгибаться и снова пересекать уровень Ферми, вызывая новые колебания там, где, согласно общепринятой теории, они больше не должны возникать.
|
|
|
|
Этот эффект является результатом взаимодействия двух явлений. Первое — это циклотронная энергия, связанная с орбитальным движением электронов в магнитном поле. Второе — это эффект Зеемана, связанный с взаимодействием между магнитным полем и спином электронов. В материалах с сильным спин-орбитальным взаимодействием, таких как ZrTe5, эти вклады нельзя рассматривать отдельно. Спиновое и орбитальное движение становятся запутанными, что приводит к нелинейной эволюции энергетических уровней.
|
|
|
|
Исследование было направлено на различение двух возможных объяснений аномальных колебаний: многочастичных эффектов, или эффектов, вызванных коллективным взаимодействием многих электронов, и внутренних топологических эффектов, возникающих из электронной структуры материала.
|
|
|
|
Авторы демонстрируют, что взаимодействие между электронами не является необходимым для объяснения явления в рассматриваемом случае. Одночастичная модель, основанная на трехмерном дираковском гамильтониане, учитывающем сильную спин-орбитальную связь, достаточна для воспроизведения наблюдаемых режимов.
|
|
|
|
«Мы обнаружили, что эффект обусловлен не многочастичными взаимодействиями, а нетривиальной топологией электронных зон», — резюмирует Ларреа.
|
|
|
|
Одна из концепций для противоречивых образцов
|
|
|
|
Исследование также помогает разрешить противоречие в литературе относительно ZrTe5. Различные образцы одного и того же материала могут демонстрировать различное поведение. Некоторые образцы показывают обычные осцилляции в 1/B, в то время как другие показывают непериодические осцилляции в 1/B. Ещё другие образцы показывают сигналы, которые, по-видимому, имеют логарифмическую периодичность в B.
|
|
|
|
Новая работа предполагает, что такое поведение не обязательно является результатом различных физических механизмов. Скорее, оно может возникать из одной и той же дираковской электронной структуры, зависящей в первую очередь от плотности носителей заряда и размера поверхности Ферми каждого образца.
|
|
|
|
«В образцах с низкой плотностью носителей заряда, таких как исследованный здесь, эффекты Зеемана и циклотрона становятся сопоставимыми в экспериментально доступных магнитных полях. Это способствует возвращению уровней Ландау и делает аномальные осцилляции видимыми. В образцах с более высокой плотностью носителей заряда преобладает обычный член, и осцилляции сохраняют свою обычную периодичность 1/B», — комментирует Ларреа.
|
|
|
|
Каналы со спиновым расщеплением оставляют температурную сигнатуру
|
|
|
|
Еще одним важным результатом стало выявление двух различных вкладов в осцилляции, связанных со спин-разделенными состояниями. Эти вклады имеют разные эффективные массы и интерферируют друг с другом.
|
|
|
|
Это объясняет неожиданную особенность данных: амплитуда осцилляций не уменьшается монотонно с повышением температуры, как предсказывает обычная модель Лифшица-Косевича. Скорее, в определенных температурных диапазонах появляется локальный минимум амплитуды, указывающий на интерференцию между двумя электронными каналами.
|
|
|
|
Измерения углового магнитосопротивления также показали, что поверхность Ферми материала является трехмерной и приблизительно эллипсоидальной при низких магнитных полях. Полученная в результате анализа плотность носителей заряда очень низка, приблизительно 10?? на кубический сантиметр, что согласуется с тем, что ZrTe5 находится очень близко к топологическому переходу.
|
|
|
|
Эксперименты проводились в Национальной лаборатории высоких магнитных полей в Лос-Аламосе, одной из немногих в мире установок, способных сочетать импульсные магнитные поля до 60 Тесла с температурами ниже 1 Кельвина.
|
|
|
|
«Такие эксперименты можно проводить лишь в немногих местах по всему миру. Доступ к таким установкам крайне конкурентен», — отмечает Ларреа.
|
|
|
|
ZrTe5 как испытательный полигон
|
|
|
|
Помимо объяснения конкретного явления, исследование подтверждает перспективность ZrTe5 как платформы для изучения новых топологических фаз материи. Авторы предполагают, что контроль симметрии, плотности носителей заряда, механического напряжения, температуры и магнитного поля может привести к еще более экзотическим состояниям, таким как фазы, связанные с квазичастицами Вейля.
|
|
|
|
«Наш эксперимент впервые эмпирически продемонстрировал процесс, который ранее был окутан спорами», — резюмирует Ларреа.
|
|
|
|
Источник
|
