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脉冲强磁场下发现第三种量子振荡现象

发表时间:2018-11-14 作者:王俊峰 韩小涛 浏览次数:

11月2日,基于我校脉冲强磁场实验装置平台,北京大学王健教授、谢心澄院士团队在量子材料研究领域取得重大突破,发现了第三种规律的量子振荡——对数周期量子振荡(图1),相关研究成果以“Discovery of log-periodic oscillations in ultraquantum topological materials”为题发表在《科学·进展》(Science Advances),被评价为近半个世纪以来量子振荡领域最为重要的发现。

在低温和强磁场作用下,材料的电导或电阻等物理量会随着磁场强度的变化而呈现周期性的振荡现象,这种现象即量子振荡。量子振荡自发现以来,就一直为物理学界所关注,并逐渐成为揭示新奇物理现象的一个重要研究工具,以磁电阻中的Shubnikov-de HaasSdH)振荡为例,它已成为探测材料费米面信息和物性的重要实验手段,在拓扑材料的探索中起到了非常重要的作用。按照随磁场变化规律,目前已知的量子振荡分为两大类:第一类量子振荡表现为随磁场的倒数呈周期性变化,起源于体系形成朗道能级,代表为磁电阻中的SdH振荡(见图2AB);第二类量子振荡表现为随磁场呈周期性变化,起源于介观系统中的准粒子量子干涉,代表有环状和柱状结构磁电阻中的Aharonov-BohmAB)振荡、Altshular-Aronov-SpivakAAS)振荡(见图2CD)。

与上述两类量子振荡不同,王健教授及其团队通过对三维层状拓扑材料ZrTe5单晶进行强磁场下的电输运测量,在该材料的量子极限以上首次观测到了包含五个对数振荡周期的明显结构,并经过不同样品、不同磁场强度、不同实验设备下的多次测量验证和理论分析,最终证实并确定了这是不同于以往所有已知量子振荡的新型量子振荡——随磁场呈对数周期变化的磁电阻振荡(见图2E)。同时,该研究还进一步阐述了这种对数周期量子振荡的物理机制(见图2F):无质量狄拉克费米子在超临界库仑吸引下形成两体准束缚态,这些满足离散标度不变性的准束缚态在磁场的影响下逐个经过费米面,引起磁电阻的对数周期量子振荡。这一发现,不仅预示着量子振荡家族增加了一个新的成员,掀开了量子振荡新篇章,更为重要的是,它还揭示出一定条件下拓扑材料或狄拉克系统可以作为同时观测原子超临界坍缩及其离散标度不变性的实验平台,为解决超重原子中的超临界塌缩这一核物理领域的前沿科学难题提供了重要实验工具,有望发现新的相对论量子现象。

该研究中,强磁场是不可或缺的实验条件,在证明对数周期量子振荡的过程中起到了至关重要的作用。据该研究团队王健教授介绍,由于条件有限,他们以往只在10T磁场强度条件下观测到两三个不太明显的振荡,无法确凿证明这些振荡有对数周期性变化规律。而借助我校脉冲强磁场实验装置平台,在58T磁场强度下,研究团队清晰观测到了五个振荡,获得了可靠的测量数据(见图3),使得这一发现更具信服力。谢心澄院士高度评价了脉冲强磁场实验装置在该研究中的作用,华中科技大学的脉冲强磁场实验装置为我们提供了高质量的强磁场实验条件,它就像是一个望远镜’,让我们看到了样品材料中更多的、更为明显的对数周期变化,帮助我们在实验上有力证明了这种新型的量子振荡现象的存在”。

论文链接:http://advances.sciencemag.org/content/4/11/eaau5096