材料中新的电子状态揭示量子振荡新规律类似俄罗斯套娃

2019-10-24 13:53:55 来源：科技日报

在物理学家眼中，每一种材料都相当于一个神秘的宇宙。探究材料内的量子振荡、电子浓度、导电性等“宇宙信息”，可以帮助科学家们判断，这些材料是金属，还是半导体、绝缘体，继而决定哪些可以成为制作计算机、芯片等设备、器件的“钦定人选”。

北京大学物理学院量子材料科学中心教授王健、院士谢心澄团队历时三年，研究三维层状拓扑材料五碲化锆单晶的磁电阻行为，发现了一种新规律的量子振荡，即电阻随磁场对数呈周期变化的量子振荡。振荡出现的磁场值成等比关系，就像尺寸成等比的俄罗斯套娃一般。这是继SdH振荡和AB效应等重要发现之后目前仅知的第三种周期的量子振荡，被誉为量子振荡近90年发展史上的“新篇章”。

从拓扑材料中发现“意外之喜”

拓扑，一个专业到有些“高冷”的词汇，近些年成为科学家的“宠儿”，变得越来越热。

拓扑原本是一个数学概念，描述的是几何体在不撕破、不截断的连续形变下，性质依然保持不变。上世纪70年代始，三位学者在物理学中引入了拓扑的概念，并于2016年摘得诺贝尔物理学奖。

拓扑材料的研究不仅能让我们了解物质的奇异结构和电子态，也为电子学、信息技术和超导领域带来新的应用，也许还将助力量子计算机的研发。近十年来，世界各国的科学家都在竞相研究拓扑材料，力争抢占该领域的制高点。

自2010年起，北京大学物理学院量子材料科学中心教授王健开始研究拓扑材料，那时，国内该领域的研究刚刚起步，而对拓扑材料进行电输运研究是其未来走向器件应用的关键。“目前制约芯片集成技术的瓶颈在于器件的散热问题，器件如果温度太高，就‘罢工’了。如果可以减少电子间的碰撞，就可以避免产生高热量，实现低能耗。拓扑材料就是一种实现低能耗或者无能耗电子器件的候选材料。若用其制备相关器件，或将推动下一代信息技术的革命。”

2015年左右，王健研究组开始在实验室研究五碲化锆晶体的拓扑性，结果收获了“意外之喜”。

对数规律的量子振荡是普适规律

“我们在高质量的三维层状拓扑材料五碲化锆单晶中发现了一种新规律的量子振荡。”谈起初探这一规律的兴奋，王健仍忍不住嘴角上扬。

所谓量子振荡，指的是固体材料的某个物理量，由于量子效应而表现出的振荡现象，常见的是磁电阻随着磁场的变化而发生的振荡。

人类首次发现的量子振荡始于1930年，那时，舒伯尼科夫(LevShubnikov)和德哈斯(W.J.deHaas)在半金属铋单晶材料中，观测到电阻随磁场的倒数呈周期性变化的规律，被称为SdH振荡。这是人类观测并理解的第一个宏观量子效应。目前，SdH振荡已经成为探测材料物理性质的重要实验手段。

此后，科学家又发现了AB效应，这是对应电子干涉行为的量子效应，其量子振荡表现为随磁场呈周期性变化。

王健团队发现的量子振荡规律，与前两种周期性量子振荡都不同，即电阻随磁场对数呈周期性振荡。“出现量子振荡的磁场值在数学上成等比数列。例如，施加一个3特斯拉的磁场，会出现振荡;再加一个约9、27特斯拉的磁场时，又会出现振荡。而且，我们观测到包含5个对数振荡周期的明显结构。这就像俄罗斯套娃，每一个套娃的结构和样式都是一样的，只是大小不同。”

王健打了个比方，这一特征在动物学、金融危机、地震、湍流等多种研究领域中都有所体现。“例如震级每相差1级,能量相差大约32倍，9级地震的能量是8级地震的32倍，8级地震的能量是7级地震的32倍，那么，9级地震的能量就是7级地震的约1000倍。”

今年9月，王健研究组又在《国家科学评论》刊文，公布最新研究成果，他们在拓扑材料五碲化铪中，也发现了呈对数周期变化的量子振荡。“这意味着对数规律的量子振荡可以在拓扑材料中普遍存在，是一种普适规律”。

揭示了材料中新的电子状态

这一新奇的量子振荡规律，在一年多的时间里历经不同样品、不同磁场强度、不同实验设备的验证。王健团队曾将样品带到武汉的国家脉冲强磁场科学中心进行验证，他们将磁场强度最高加到58特斯拉，这相当于116万倍的地球磁场强度，结果发现，磁场强度越高，量子振荡越明显。

“而且，这种量子振荡规律，在较高的温度区间一直存在。大部分的量子效应在接近绝对零度时，也就是-273摄氏度附近，会明显显现，随着温度的升高，量子效应会逐渐减弱，但我们在-173摄氏度，还一直能看到量子振荡。”

对数周期量子振荡揭示了材料中存在的一种新的电子状态，拓展了科学家对于材料中量子振荡的认知。不过，这一规律的应用意义尚待发掘。

王健表示，新规律初现时，往往很难确定是否有重要应用价值，需要经过时间的检验。就像SdH振荡发现之初，一直悄然无声，直到多年后，人们才发现可以用它测量固体材料中的电子结构，得到载流子迁移率、电子浓度等重要参数，进而判断材料的潜在用途。例如热门材料石墨烯，一个典型优点就是极高的载流子迁移率，是现在常用的硅的140倍，这也是后来人们将石墨烯作为新型器件重要备选材料的原因之一。(金凤)

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