Сильное магнитное поле должно было загнать электроны в простейший квантовый режим и прекратить привычные колебания электрического сопротивления. Эксперимент с пентателлуридом циркония ZrTe5 дал противоположный результат: осцилляции продолжились далеко за квантовым пределом и приобрели форму, которую стандартное описание электронного транспорта не предсказывает.
Международная группа физиков исследовала ZrTe5 при температуре всего 0,7 К, примерно −272,45 °C, и в магнитных полях до 60 тесла. Результаты исследования , опубликованного в Nature Communications, указывают на новый режим квантования, возникающий благодаря необычной электронной структуре топологического материала.
Пентателлурид циркония давно привлекает физиков положением возле границы между двумя топологическими фазами. Низкая концентрация носителей заряда и почти линейная зависимость энергии электронов от импульса позволяют описывать возбуждения внутри материала как трехмерные дираковские квазичастицы. Небольшие изменения состава, механического напряжения или концентрации носителей заметно меняют поведение образцов, из-за чего эксперименты с ZrTe5 годами давали на первый взгляд противоречивые результаты.
В магнитном поле движение электронов квантуется, а разрешенные энергии образуют уровни Ландау. По мере усиления поля уровни последовательно пересекают энергию Ферми, границу между занятыми и свободными электронными состояниями, поэтому сопротивление материала периодически меняется. В обычном случае период связан с величиной 1/B, где B обозначает напряженность магнитного поля.
При достаточно сильном поле система достигает квантового предела, когда носители заряда остаются на самом нижнем доступном уровне Ландау. Стандартная картина предполагает исчезновение обычной последовательности осцилляций после перехода в подобный режим. В ZrTe5 физики зарегистрировали колебания вплоть до максимальных 60 тесла, причем интервалы между пиками перестали подчиняться привычной периодичности 1/B.
Расчеты показали, что причиной служит конкуренция двух квантовых эффектов. Циклотронное движение определяет орбитальную энергию электронов, а эффект Зеемана меняет энергию в зависимости от ориентации спина относительно магнитного поля. Сильное спин-орбитальное взаимодействие в ZrTe5 связывает спин с движением квазичастиц, поэтому два вклада нельзя рассматривать независимо.
При увеличении магнитного поля некоторые уровни Ландау начинают изгибаться, меняют направление движения по энергетической шкале и повторно пересекают уровень Ферми. Физики называют подобное поведение возвратными уровнями Ландау. Повторные пересечения снова меняют электрическое сопротивление и создают осцилляции уже после прохождения обычного квантового предела.
Авторы проверили и другое возможное объяснение, связанное со сложными коллективными взаимодействиями множества электронов. Моделирование показало, что для воспроизведения экспериментальной картины многочастичные эффекты не требуются. Достаточно трехмерной дираковской модели с сильным спин-орбитальным взаимодействием и зеемановским расщеплением. Результат связывает аномальное поведение прежде всего с топологической электронной структурой материала.
Модель помогает объяснить и расхождения между предыдущими экспериментами с ZrTe5. Образцы с большей концентрацией носителей преимущественно демонстрируют обычные осцилляции с периодичностью 1/B. При низкой концентрации носителей зеемановская и циклотронная энергии становятся сопоставимыми уже в доступных лабораторных полях, уровни Ландау начинают возвращаться к энергии Ферми, а характер осцилляций меняется. Сигналы, ранее интерпретировавшиеся как разные физические режимы, могут оказаться проявлениями одной дираковской электронной структуры.
Эксперимент выявил еще одну аномалию. Амплитуда осцилляций при нагреве менялась не так, как предсказывает стандартная модель Лифшица-Косевича. Исследователи связали отклонение с интерференцией двух вкладов от состояний с разным спином и разными эффективными массами. Измерения угловой зависимости магнитосопротивления дополнительно указали на трехмерную эллипсоидальную поверхность Ферми при сравнительно слабых полях.
Работа не отменяет квантовую механику и не означает нарушение фундаментальных законов. Эксперимент показывает границу применимости привычного описания квантовых осцилляций и предлагает более широкую модель для дираковских топологических материалов в экстремальных магнитных полях. Понимание подобного режима важно для изучения топологических фаз, спиновых состояний и электронного транспорта, а в перспективе может помочь при разработке квантовых материалов и высокочувствительных устройств.