近日，中國科學院合肥物質(zhì)院強磁場中心低功耗量子材料團隊聯(lián)合中國科學技術大學、南方科技大學團隊，依托穩(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置所屬水冷磁體WM5，利用強磁場在弱拓撲絕緣體中成功構建出理想一維外爾半金屬相，并觀測到由該相特有熱電轉(zhuǎn)換機制導致的巨大能斯特平臺。相關研究成果《Observation of Giant Nernst Plateau in Ideal 1D Weyl Phase》發(fā)表于美國物理學會期刊Physical Review Letters上。
反常能斯特效應是一類典型的橫向熱電效應，其能斯特信號會在磁場下形成平臺。理論研究表明，源于自旋軌道耦合布洛赫電子能帶的大貝里曲率能夠產(chǎn)生顯著的反常能斯特效應?；谶@一機制，人們已在三維磁性外爾半金屬中觀測到顯著的能斯特平臺。盡管取得這些進展，能斯特平臺的幅度仍然比縱向熱電效應弱多個數(shù)量級。因此，探索能夠顯著提升能斯特平臺幅度的新型熱電轉(zhuǎn)換機制具有重要意義。
該研究團隊另辟蹊徑，在強磁場條件下發(fā)現(xiàn)了一種全新的熱電轉(zhuǎn)換機制。通過對弱拓撲絕緣體五碲化鉿（HfTe?）在0–33 T強磁場下的塞貝克效應和能斯特效應進行系統(tǒng)測量，研究團隊直接觀測到兩個磁場誘導的相變：在B? = 1.45 T處，能斯特信號發(fā)生符號反轉(zhuǎn)，標志著第零朗道能級發(fā)生能隙閉合轉(zhuǎn)變；隨著磁場增強，塞貝克系數(shù)在B? = 11 T處出現(xiàn)峰值，表明第零朗道能級發(fā)生拓撲Lifshitz轉(zhuǎn)變。這兩次相變過程與弱拓撲絕緣體在強磁場下的理論相圖高度吻合。當磁場進一步增大至B? = 20 T以上時，HfTe?進入由第零朗道能級構成的理想一維外爾半金屬相。值得注意的是，在該相中，能斯特信號表現(xiàn)出與磁場無關的特性，形成一個穩(wěn)定的巨大能斯特平臺，其幅值在2 K低溫下高達50 μV/K，遠超以往報道的所有反常能斯特效應數(shù)值。理論分析進一步揭示，該巨大能斯特平臺源于理想一維外爾相特有的熱電轉(zhuǎn)換機制：橫向熱電效應主要由縱向電阻主導，而非傳統(tǒng)機制中的橫向電阻。這一發(fā)現(xiàn)不僅拓展了對外爾費米子的認知，也為顯著提升熱電轉(zhuǎn)換效率開辟了新路徑。
強磁場科學中心碩士張勇和蔡佳強為論文共同第一作者；張警蕾研究員、田明亮研究員、中國科學技術大學趙鵬露副研究員及南方科技大學盧海舟教授為共同通訊作者。該項研究得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、中國科學院建制化科研平臺等項目的支持。
論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/4zlp-n5qm
圖1. 弱拓撲絕緣體HfTe5強磁場下塞貝克效應和能斯特效應的測量結(jié)果
圖2. 理想一維外爾態(tài)中的巨大能斯特平臺
