image: 不同磁场下纵向和横向电阻随偏压电场的演化 view more
Credit: ©《中国科学》杂志社
近日，《国家科学评论》杂志在线发表了由复旦大学修发贤教授和张成青年研究员等人完成的磁场诱导五碲化物相变的非线性输运研究成果。将拓扑材料和强电子关联作用耦合起来可以导致诸如分数化电荷、激子亚稳态和轴子激发等各种新奇物理现象。层状过渡金属五碲化物，如五碲化锆和五碲化铪等，近期被发现是一个接近拓扑半金属态且具备低载流子浓度特性的特殊材料。即使在相对低的磁场下，他们可以形成高度简并的朗道能级，从而显著增强材料中狄拉克电子的关联作用。因此，五碲化物可用来实现可调的强关联拓扑态。
早期量子输运实验发现了五碲化物在磁场下存在体量子霍尔态，但是其物理机制仍然存在争议。在本研究中，研究团队另辟蹊径，采用非线性输运的手段来追踪偏压引起的电阻率变化随磁场的演化。通常来说，常规材料的直流电阻处于线性区域，也就是不受偏压影响的。然而，在电荷和自旋密度波等一些特殊电子态中，电子被局域势垒所束缚，一个相对不大的偏压即可使之重获自由并对电阻率产生明显影响。
研究团队通过测量不同偏压下的纵向和横向微分电导，直接探测到磁场下的密度波相变。出乎意料的是，在之前认为的一维密度波基础上，他们发现在面内方向同样存在密度波。此外，更高磁场下的绝缘态也可以通过偏压进行调控。这一现象对材料中的金属绝缘体相变机制给出了很强的限制。
论文作者通过理论合作构建了五碲化铪的相图：在外加磁场下，五碲化铪中的电子首先变成一个三维密度波态，并进一步在磁冻结效应的作用下变成局域电子。在大的外加偏压下，冻结的电子可逐渐重获自由，从而使得纵向和横向的电导都得以增强。
这一研究清楚地给出了磁场诱导的狄拉克电子多体相互作用的实验证据，并且表明了低浓度五碲化物是一个可用于研究强关联拓扑物理中新奇的集体激发态的理想体系。
Journal
National Science Review