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北京大学发现的量子振荡新规律类似套娃4166.co

2019-11-03 10:35

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量子振荡是揭示新奇物理现象的一个重要研究工具。量子振荡发现近90年来,发现过两大类量子振荡:第一类量子振荡表现为随磁场的倒数呈周期性变化,第二类量子振荡表现为随磁场呈周期性变化。历史上,每一类量子振荡的发现,都源于重要的物理机制,揭示出新的物理规律。
近日,北京大学物理学院量子材料科学中心王健、谢心澄等组成的研究团队,在高质量的三维层状拓扑材料五碲化锆单晶中首次发现一种新规律的量子振荡—随磁场呈对数周期的磁电阻振荡。研究团队在该材料的量子极限以上发现了包含五个对数振荡周期的明显结构,并进一步通过在不同样品、不同磁场强度、不同实验设备中进行多次验证测量,分析表明,传统的量子振荡理论,包括考虑了塞曼劈裂的SdH振荡,都无法解释最新发现的对数周期现象,最终确定了这一重要发现。这一发现不同于所有已知的量子振荡,预示着发现了一个量子振荡家族新成员。此外,该研究同时也揭示了一种量子极限之外的新型量子态。
这一发现揭示出,一定条件下拓扑材料或狄拉克系统可以作为同时观测原子超临界坍缩及其离散标度不变性的实验平台,为解决超重原子中的超临界塌缩这一核物理领域的前沿科学难题提供了重要实验工具,有望发现新的相对论量子现象。
该研究得到了国家重点研发计划“拓扑超导等关联体系的量子态”、“超导-拓扑绝缘体低维异质结构的制备和物性”、“拓扑复合小量子体系中的自旋、电荷调控”等项目的支持。

10月24日消息,北京大学物理学院量子材料科学中心教授王健、院士谢心澄团队历时三年,研究三维层状拓扑材料五碲化锆单晶的磁电阻行为,发现了一种新规律的量子振荡,即电阻随磁场对数呈周期变化的量子振荡。振荡出现的磁场值成等比关系,就像尺寸成等比的俄罗斯套娃一般。这是继SdH振荡和AB效应等重要发现之后目前仅知的第三种周期的量子振荡,被誉为量子振荡近90年发展史上的“新篇章”。

从拓扑材料中发现“意外之喜”

拓扑,一个专业到有些“高冷”的词汇,近些年成为科学家的“宠儿”,变得越来越热。

莫比乌斯指环是一种拓扑学结构,它只有一个面,和一个边界。“连通性”是最简单的拓扑性质。

拓扑原本是一个数学概念,描述和研究的是几何图形或空间在不撕破、不截断的连续改变形状后,性质还能保持不变。上世纪70年代始,三位学者在物理学中引入了拓扑的概念,并于2016年摘得诺贝尔物理学奖。

拓扑材料的研究不仅能让我们了解物质的奇异结构和电子态,也为电子学、信息技术和超导领域带来新的应用,也许还将助力量子计算机的研发。近十年来,世界各国的科学家都在竞相研究拓扑材料,力争抢占该领域的制高点。

原子团簇:较为复杂的拓扑结构

自2010年起,北京大学物理学院量子材料科学中心教授王健开始研究拓扑材料,那时,国内该领域的研究刚刚起步,而对拓扑材料进行电输运研究是其未来走向器件应用的关键。

“目前制约芯片集成技术的瓶颈在于器件的散热问题,器件如果温度太高,就 ‘罢工’了。如果可以减少电子间的碰撞,就可以避免产生高热量,实现低能耗。拓扑材料就是一种实现低能耗或者无能耗电子器件的候选材料。若用其制备相关器件,或将推动下一代信息技术的革命。”

2015年左右,王健研究组开始在实验室研究五碲化锆晶体的拓扑性,结果收获了“意外之喜”。

对数规律的量子振荡是普适规律

“我们在高质量的三维层状拓扑材料五碲化锆单晶中发现了一种新规律的量子振荡。”谈起初探这一规律的兴奋,王健仍忍不住嘴角上扬。

所谓量子振荡,指的是固体材料的某个物理量,由于量子效应而表现出的振荡现象,常见的是磁电阻随着磁场的变化而发生的振荡。

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