Фото: ScienceDaily
Исследователи обнаружили необычные квантовые колебания в трехмерном топологическом изоляторе — пентателлуриде циркония ZrTe5. Работа опубликована в журнале Nature Communications. Эффект наблюдался при температурах около 0,7 кельвина и магнитных полях до 60 тесла.
В исследовании участвовали ученые Университета Сан-Паулу, Национальной лаборатории Лос-Аламоса, Вашингтонского университета и других американских организаций. Специалисты объединили эксперименты по электрическому транспорту с теоретическими расчетами. Как отметил профессор Университета Сан-Паулу Жулио Ларреа Хименес, результаты расширяют представления о переносе заряда и спина в необычных состояниях материи.
ZrTe5 относится к материалам, внутренние области которых ведут себя как изоляторы, а поверхности проводят электричество. Вещество находится близко к границе между различными топологическими фазами, поэтому его свойства могут заметно меняться под воздействием температуры, деформации, химического состава и магнитного поля.
Обычно при движении электронов в магнитном поле их энергии формируют уровни Ландау, а переходы этих уровней через уровень Ферми вызывают периодические колебания сопротивления. Однако в ZrTe5 колебания не соответствовали привычной периодичности и сохранялись даже после достижения квантового предела, когда электроны должны находиться только на самом низком уровне Ландау.
Ученые объяснили явление «обратным изгибом» уровней Ландау. Под влиянием сильного магнитного поля и взаимодействия спина с орбитальным движением некоторые уровни могут снова приближаться к уровню Ферми и пересекать его. По словам первого автора работы Кауэ Кауфмана Рибейру, ключевую роль в этом процессе играют квазичастицы с поведением, близким к релятивистским фермионам Дирака.
Расчеты показали, что для объяснения эффекта не требуются коллективные взаимодействия большого числа электронов. Достаточно модели одной частицы с учетом трехмерной структуры Дирака и сильного спин-орбитального взаимодействия. Исследователи считают, что результаты также помогают объяснить различия между экспериментами с образцами ZrTe5, поскольку характер колебаний может зависеть от концентрации носителей заряда и размера поверхности Ферми.
