發現未知,贏得未來!不變中有變,量子振蕩新規律類似“套娃”

2019-10-24 10:23:58 來源: 科技日報 作者: 金鳳

科技日報 金鳳

在物理學家眼中,每一種材料都相當于一個神秘的宇宙。探究材料內的量子振蕩、電子濃度、導電性等“宇宙信息”,可以幫助科學家們判斷,這些材料是金屬,還是半導體、絕緣體,繼而決定哪些可以成為制作計算機、芯片等設備、器件的“欽定人選”。

北京大學物理學院量子材料科學中心教授王健、院士謝心澄團隊歷時三年,研究三維層狀拓撲材料五碲化鋯單晶的磁電阻行為,發現了一種新規律的量子振蕩,即電阻隨磁場對數呈周期變化的量子振蕩。振蕩出現的磁場值成等比關系,就像尺寸成等比的俄羅斯套娃一般。這是繼SdH振蕩和AB效應等重要發現之后目前僅知的第三種周期的量子振蕩,被譽為量子振蕩近90年發展史上的“新篇章”。

從拓撲材料中發現“意外之喜”

拓撲,一個專業到有些“高冷”的詞匯,近些年成為科學家的“寵兒”,變得越來越熱。

拓撲原本是一個數學概念,描述和研究的是幾何圖形或空間在不撕破、不截斷的連續改變形狀后,性質還能保持不變。上世紀70年代始,三位學者在物理學中引入了拓撲的概念,并于2016年摘得諾貝爾物理學獎。

拓撲材料的研究不僅能讓我們了解物質的奇異結構和電子態,也為電子學、信息技術和超導領域帶來新的應用,也許還將助力量子計算機的研發。近十年來,世界各國的科學家都在競相研究拓撲材料,力爭搶占該領域的制高點。

自2010年起,北京大學物理學院量子材料科學中心教授王健開始研究拓撲材料,那時,國內該領域的研究剛剛起步,而對拓撲材料進行電輸運研究是其未來走向器件應用的關鍵。

“目前制約芯片集成技術的瓶頸在于器件的散熱問題,器件如果溫度太高,就 ‘罷工’了。如果可以減少電子間的碰撞,就可以避免產生高熱量,實現低能耗。拓撲材料就是一種實現低能耗或者無能耗電子器件的候選材料。若用其制備相關器件,或將推動下一代信息技術的革命。”

2015年左右,王健研究組開始在實驗室研究五碲化鋯晶體的拓撲性,結果收獲了“意外之喜”。

對數規律的量子振蕩是普適規律

“我們在高質量的三維層狀拓撲材料五碲化鋯單晶中發現了一種新規律的量子振蕩。”談起初探這一規律的興奮,王健仍忍不住嘴角上揚。

所謂量子振蕩,指的是固體材料的某個物理量,由于量子效應而表現出的振蕩現象,常見的是磁電阻隨著磁場的變化而發生的振蕩。

人類首次發現的量子振蕩始于1930年,那時,舒伯尼科夫(Lev Shubnikov)和德哈斯(W. J. de Haas)在半金屬鉍單晶材料中,觀測到電阻隨磁場的倒數呈周期性變化的規律,被稱為SdH振蕩。這是人類觀測并理解的第一個宏觀量子效應。目前,SdH振蕩已經成為探測材料物理性質的重要實驗手段。

此后,科學家又發現了AB效應,這是對應電子干涉行為的量子效應,其量子振蕩表現為隨磁場呈周期性變化。

王健團隊發現的量子振蕩規律,與前兩種周期性量子振蕩都不同,即電阻隨磁場對數呈周期性振蕩。“出現量子振蕩的磁場值在數學上成等比數列。例如,施加一個3特斯拉的磁場,會出現振蕩;再加一個約9、27特斯拉的磁場時,又會出現振蕩。而且,我們觀測到包含5個對數振蕩周期的明顯結構。這就像俄羅斯套娃,每一個套娃的結構和樣式都是一樣的,只是大小不同。”

王健打了個比方,這一特征在動物學、金融危機、地震、湍流等多種研究領域中都有所體現。“例如震級每相差1級,能量相差大約32倍,9級地震的能量是8級地震的32倍,8級地震的能量是7級地震的32倍,那么,9級地震的能量就是7級地震的約1000倍。”

今年9月,王健研究組又在《國家科學評論》刊文,公布最新研究成果,他們在拓撲材料五碲化鉿中,也發現了呈對數周期變化的量子振蕩。“這意味著對數規律的量子振蕩可以在拓撲材料中普遍存在,是一種普適規律。”

揭示了材料中新的電子狀態

這一新奇的量子振蕩規律,在一年多的時間里歷經不同樣品、不同磁場強度、不同實驗設備的驗證。王健團隊曾將樣品帶到武漢的國家脈沖強磁場科學中心進行驗證,他們將磁場強度最高加到58特斯拉,這相當于116萬倍的地球磁場強度,結果發現,磁場強度越高,量子振蕩越明顯。

“而且,這種量子振蕩規律,在較高的溫度區間一直存在。大部分的量子效應在接近絕對零度時,也就是-273攝氏度附近,會明顯顯現,隨著溫度的升高,量子效應會逐漸減弱,但我們在-173攝氏度,還一直能看到量子振蕩。”

對數周期量子振蕩揭示了材料中存在的一種新的電子狀態,拓展了科學家對于材料中量子振蕩的認知。不過,這一規律的應用意義尚待發掘。

王健表示,新規律初現時,往往很難確定是否有重要應用價值,需要經過時間的檢驗。就像SdH振蕩發現之初,一直悄然無聲,直到多年后,人們才發現可以用它測量固體材料中的電子結構,得到載流子遷移率、電子濃度等重要參數,進而判斷材料的潛在用途。例如熱門材料石墨烯,一個典型優點就是極高的載流子遷移率,是現在常用的硅的140倍,這也是后來人們將石墨烯作為新型器件重要備選材料的原因之一。


圖1:量子振蕩家族。(A、B)隨磁場的倒數周期性變化的量子振蕩,典型代表為磁電阻中的SdH振蕩,起源于朗道能級的量子化;(C、D)隨磁場周期性變化的量子振蕩,代表為磁電阻中的AB振蕩和AAS振蕩,起源于準粒子的量子干涉;(E、F)隨磁場的對數周期性變化的量子振蕩,其物理機制為:無質量狄拉克費米子在超臨界庫侖吸引下形成兩體準束縛態,這些滿足離散標度不變性的準束縛態在磁場的影響下逐個經過費米面,引起磁電阻的對數周期量子振蕩

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責任編輯:陳小柒
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