Quantenoszillationen in ZrTe5 weigern sich, dem Drehbuch zu folgen – weil sie es eben tun

Eine in Nature Communications veröffentlichte Studie hat gezeigt, dass Elektronen in Zirconiumpentatellurid (ZrTe5) im Grunde die rebellischen Teenager der Quantenwelt sind. Wenn sie Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt und Magnetfeldern ausgesetzt werden, die stark genug sind, um Ihre Kühlschrankmagnete zum Weinen zu bringen, zeigen diese Teilchen Quantenoszillationen, die den konventionellen Erwartungen trotzen.

Die Forschung, geleitet von Wissenschaftlern der Universität von São Paulo (USP) in Brasilien, des Los Alamos National Laboratory, der University of Washington und anderer US-amerikanischer Einrichtungen, kombinierte elektrische Transportexperimente in Magnetfeldern bis zu 60 Tesla bei Temperaturen um 0,7 Kelvin (-272,45 °C) mit detaillierten theoretischen Berechnungen. Denn, na ja, warum nicht die Grenzen der Physik ausreizen, während man dabei ist?

„Diese Arbeit erweitert unser Verständnis des Elektronentransports in exotischen Materiephasen und legt nahe, dass topologische Isolatoren nicht nur den Transport elektrischer Ladung unterstützen, sondern auch einen weiteren fundamentalen Freiheitsgrad: den Elektronenspin“, sagt Julio Larrea Jiménez, Professor am Physikinstitut der USP und Mitbegründer/Direktor des Labors für Quantenmaterie unter extremen Bedingungen.

Larrea war der Doktorvater von Cauê Kaufmann Ribeiro, dem Erstautor der Studie, der einen Großteil der experimentellen Arbeit während eines Praktikums am National High Magnetic Field Laboratory in Los Alamos durchführte, unterstützt durch ein FAPESP-Forschungspraktikum im Ausland, und von Johanna Palmstrom und Sean Thomas mitbetreut wurde.

Topologische Isolatoren sind die Sonderlinge der Materialwissenschaft: Ihr Inneres ist elektrisch isolierend, aber ihre Oberflächen leiten Elektrizität. Dies ist auf die Topologie ihrer elektronischen Bänder zurückzuführen, die durch Kristallsymmetrien geschützt sind. ZrTe5 ist besonders, weil es nahe der Grenze zwischen verschiedenen topologischen Phasen liegt, was bedeutet, dass kleine Änderungen der Temperatur, mechanische Verformung, chemische Zusammensetzung oder Magnetfeld sein elektronisches Verhalten drastisch verändern können. Es ist das quantenmechanische Äquivalent eines launischen Künstlers.

Wenn sich Elektronen durch ein Magnetfeld bewegen, sind ihre Energien auf diskrete Werte beschränkt, die Landau-Niveaus genannt werden, benannt nach Lew Landau (1908–1968). In reinen Metallen können diese Niveaus wiederholt das Fermi-Niveau kreuzen, was Oszillationen im elektrischen Widerstand erzeugt, die als Shubnikov-de-Haas-Oszillationen bekannt sind und normalerweise einem vorhersagbaren Muster in 1/B folgen (wobei B das Magnetfeld ist). Aber ZrTe5 hat diese Notiz nicht erhalten.

Die Forscher fanden heraus, dass seine Magnetowiderstandsoszillationen nicht konventionell periodisch in 1/B waren und weit über die Quantengrenze hinaus fortbestanden, wo Elektronen im niedrigsten Landau-Niveau stecken bleiben sollten und die Oszillationen verschwinden sollten. Stattdessen blieben die Oszillationen bestehen, wie eine schlechte Angewohnheit.

„In Materialien nahe topologischer Phasenübergänge können Elektronen aufhören, sich wie gewöhnliche Teilchen in einem Metall zu verhalten“, erklärt Kaufmann. „Ihre elektronischen Anregungen beginnen, sich wie Quasiteilchen ähnlich den Dirac-Fermionen zu verhalten – relativistische Teilchen. In unserer Arbeit zeigen wir, dass der Spin dieser Quasiteilchen eine zentrale Rolle spielt: Wenn wir starke Magnetfelder anlegen, verändert die Wechselwirkung zwischen Spin und Magnetfeld die Energieniveaus der Elektronen tiefgreifend. Infolgedessen können Landau-Niveaus, die sich normalerweise von der relevanten Energie des Systems entfernen würden, ‚zurückkehren‘ und sie erneut kreuzen. Dieses ungewöhnliche Verhalten nennen wir reentrante Landau-Niveaus.“

Um dies zu erklären, schlagen die Forscher einen Prozess namens „Back-Bending“ der Landau-Niveaus vor, bei dem sich einige Niveaus zurück zum Fermi-Niveau biegen und es erneut kreuzen, wodurch zusätzliche Oszillationen in einem Regime erzeugt werden, in dem sie nicht existieren sollten. Dies geschieht aufgrund des Zusammenspiels zwischen Zyklotronenergie (aus der Orbitalbewegung) und dem Zeeman-Effekt (Spin-Magnetfeld-Kopplung), die in Materialien mit starker Spin-Bahn-Wechselwirkung wie ZrTe5 miteinander verflochten sind.

Eines der Ziele der Studie war es zu bestimmen, ob die anomalen Oszillationen auf Vielteilcheneffekte (kollektive