近日，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)院強(qiáng)磁場(chǎng)中心低功耗量子材料團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、南方科技大學(xué)團(tuán)隊(duì)，依托穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置所屬水冷磁體WM5，利用強(qiáng)磁場(chǎng)在弱拓?fù)浣^緣體中成功構(gòu)建出理想一維外爾半金屬相，并觀測(cè)到由該相特有熱電轉(zhuǎn)換機(jī)制導(dǎo)致的巨大能斯特平臺(tái)。相關(guān)研究成果《Observation of Giant Nernst Plateau in Ideal 1D Weyl Phase》發(fā)表于美國(guó)物理學(xué)會(huì)期刊Physical Review Letters上。
反常能斯特效應(yīng)是一類典型的橫向熱電效應(yīng)，其能斯特信號(hào)會(huì)在磁場(chǎng)下形成平臺(tái)。理論研究表明，源于自旋軌道耦合布洛赫電子能帶的大貝里曲率能夠產(chǎn)生顯著的反常能斯特效應(yīng)。基于這一機(jī)制，人們已在三維磁性外爾半金屬中觀測(cè)到顯著的能斯特平臺(tái)。盡管取得這些進(jìn)展，能斯特平臺(tái)的幅度仍然比縱向熱電效應(yīng)弱多個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，探索能夠顯著提升能斯特平臺(tái)幅度的新型熱電轉(zhuǎn)換機(jī)制具有重要意義。
該研究團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，在強(qiáng)磁場(chǎng)條件下發(fā)現(xiàn)了一種全新的熱電轉(zhuǎn)換機(jī)制。通過(guò)對(duì)弱拓?fù)浣^緣體五碲化鉿（HfTe?）在0–33 T強(qiáng)磁場(chǎng)下的塞貝克效應(yīng)和能斯特效應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)量，研究團(tuán)隊(duì)直接觀測(cè)到兩個(gè)磁場(chǎng)誘導(dǎo)的相變：在B? = 1.45 T處，能斯特信號(hào)發(fā)生符號(hào)反轉(zhuǎn)，標(biāo)志著第零朗道能級(jí)發(fā)生能隙閉合轉(zhuǎn)變；隨著磁場(chǎng)增強(qiáng)，塞貝克系數(shù)在B? = 11 T處出現(xiàn)峰值，表明第零朗道能級(jí)發(fā)生拓?fù)?/span>Lifshitz轉(zhuǎn)變。這兩次相變過(guò)程與弱拓?fù)浣^緣體在強(qiáng)磁場(chǎng)下的理論相圖高度吻合。當(dāng)磁場(chǎng)進(jìn)一步增大至B? = 20 T以上時(shí)，HfTe?進(jìn)入由第零朗道能級(jí)構(gòu)成的理想一維外爾半金屬相。值得注意的是，在該相中，能斯特信號(hào)表現(xiàn)出與磁場(chǎng)無(wú)關(guān)的特性，形成一個(gè)穩(wěn)定的巨大能斯特平臺(tái)，其幅值在2 K低溫下高達(dá)50 μV/K，遠(yuǎn)超以往報(bào)道的所有反常能斯特效應(yīng)數(shù)值。理論分析進(jìn)一步揭示，該巨大能斯特平臺(tái)源于理想一維外爾相特有的熱電轉(zhuǎn)換機(jī)制：橫向熱電效應(yīng)主要由縱向電阻主導(dǎo)，而非傳統(tǒng)機(jī)制中的橫向電阻。這一發(fā)現(xiàn)不僅拓展了對(duì)外爾費(fèi)米子的認(rèn)知，也為顯著提升熱電轉(zhuǎn)換效率開(kāi)辟了新路徑。
強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心碩士張勇和蔡佳強(qiáng)為論文共同第一作者；張警蕾研究員、田明亮研究員、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)趙鵬露副研究員及南方科技大學(xué)盧海舟教授為共同通訊作者。該項(xiàng)研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院建制化科研平臺(tái)等項(xiàng)目的支持。
論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/4zlp-n5qm
圖1. 弱拓?fù)浣^緣體HfTe5強(qiáng)磁場(chǎng)下塞貝克效應(yīng)和能斯特效應(yīng)的測(cè)量結(jié)果
圖2. 理想一維外爾態(tài)中的巨大能斯特平臺(tái)
