Исследование, опубликованное в Nature Communications, показало, что электроны в пентателлуриде циркония (ZrTe5) — это, по сути, бунтующие подростки квантового мира. Когда их подвергают воздействию температур, близких к абсолютному нулю, и магнитных полей, достаточно мощных, чтобы заставить ваши магниты на холодильнике плакать, эти частицы демонстрируют квантовые осцилляции, которые бросают вызов общепринятым ожиданиям.

Исследование, проведенное учеными из Университета Сан-Паулу (USP) в Бразилии, Лос-Аламосской национальной лаборатории, Университета Вашингтона и других американских учреждений, сочетalo эксперименты по электрическому транспорту в магнитных полях до 60 тесла при температурах около 0,7 кельвина (-272,45 °C) с детальными теоретическими расчетами. Потому что, знаете ли, почему бы не раздвинуть границы физики, пока мы этим занимаемся?

"Эта работа расширяет наше понимание электронного транспорта в экзотических фазах материи и предполагает, что топологические изоляторы поддерживают транспорт не только электрического заряда, но и другой фундаментальной степени свободы: спина электрона", — говорит Жулио Ларреа Хименес, профессор Физического института USP и соучредитель/директор Лаборатории квантовой материи в экстремальных условиях.

Ларреа был научным руководителем Кауэ Кауфманна Рибейро, первого автора исследования, который выполнил большую часть экспериментальной работы во время стажировки в Национальной лаборатории сильных магнитных полей в Лос-Аламосе, при поддержке стипендии FAPESP для зарубежных исследований, и под совместным руководством Йоханны Палмстром и Шона Томаса.

Топологические изоляторы — это чудаки в науке о материалах: их внутренности являются электрическими изоляторами, но их поверхности проводят электричество. Это связано с топологией их электронных зон, которые защищены кристаллическими симметриями. ZrTe5 особенно уникален, потому что он находится вблизи границы между различными топологическими фазами, что означает, что небольшие изменения температуры, механической деформации, химического состава или магнитного поля могут кардинально изменить его электронное поведение. Это квантовый эквивалент капризного художника.

Когда электроны движутся через магнитное поле, их энергии ограничены дискретными значениями, называемыми уровнями Ландау, названными в честь Льва Ландау (1908-1968). В чистых металлах эти уровни могут многократно пересекать уровень Ферми, создавая осцилляции электрического сопротивления, известные как осцилляции Шубникова-де Гааза, которые обычно следуют предсказуемой закономерности в 1/B (где B — магнитное поле). Но ZrTe5, видимо, не получил эту памятку.

Исследователи обнаружили, что его осцилляции магнетосопротивления не были обычным образом периодическими в 1/B и продолжались далеко за квантовым пределом, где электроны должны застревать на самом низком уровне Ландау, и осцилляции должны исчезать. Вместо этого осцилляции сохранялись, как плохая привычка.

"В материалах вблизи топологических фазовых переходов электроны могут перестать вести себя как обычные частицы в металле", — объясняет Кауфманн. "Их электронные возбуждения начинают вести себя как квазичастицы, похожие на фермионы Дирака — релятивистские частицы. В нашей работе мы показываем, что спин этих квазичастиц играет центральную роль: когда мы прикладываем сильные магнитные поля, взаимодействие между спином и магнитным полем глубоко изменяет энергетические уровни электронов. В результате уровни Ландау, которые обычно удаляются от релевантной энергии системы, могут "возвращаться" и пересекать ее снова. Это необычное поведение мы называем возвратными уровнями Ландау."

Чтобы объяснить это, исследователи предлагают процесс, называемый "обратным изгибом" уровней Ландау, когда некоторые уровни изгибаются обратно к уровню Ферми и пересекают его снова, генерируя дополнительные осцилляции в режиме, где они не должны существовать. Это происходит из-за взаимодействия между циклотронной энергией (от орбитального движения) и эффектом Зеемана (связь спина с магнитным полем), которые переплетены в материалах с сильным спин-орбитальным взаимодействием, таких как ZrTe5.

Одной из целей исследования было определить, были ли аномальные осцилляции вызваны многочастичными эффектами (коллективными