Международная группа ученых обнаружила нетипичные квантовые осцилляции в пентателлуриде циркония (ZrTe5). Исследование, опубликованное в Nature Communications, показало, что при температурах, близких к абсолютному нулю, и в сверхмощных магнитных полях электроны в этом материале ведут себя вопреки стандартной теории.
Пентателлурид циркония – это топологический изолятор, материал, который проводит ток только по поверхности, оставаясь диэлектриком внутри. В сильном магнитном поле энергетические уровни электронов в проводниках становятся дискретными. Эти уровни, известные как уровни Ландау, при росте напряжённости поля поочередно пересекают так называемый уровень Ферми, из-за чего электросопротивление материала периодически колеблется. Обычно эти осцилляции затухают, когда все электроны занимают самый нижний энергетический уровень.
В ходе эксперимента, который провели при температуре 0,7 кельвина (–272,45 °C) и в магнитных полях до 60 тесла, осцилляции в ZrTe5 не прекратились в ожидаемый момент. Более того, их периодичность отличалась от предсказанной. Физики из Университета Сан-Паулу, Лос-Аламосской национальной лаборатории и других научных центров США смогли объяснить это аномальное поведение.
Как выяснилось, его причина не в коллективном взаимодействии множества электронов, а во внутреннем свойстве самого материала – сильной спин-орбитальной связи. Взаимодействие спина электрона (его собственного момента вращения) с магнитным полем оказалось настолько сильным, что заставило некоторые уровни Ландау, которые должны были бы удалиться от уровня Ферми, «изогнуться» и пересечь его снова. Это повторное пересечение и порождает дополнительные, нетипичные осцилляции за пределами так называемого квантового предела.
Это открытие также разрешает давние споры вокруг пентателлурида циркония. Ранее разные лаборатории, работая с разными образцами материала, получали противоречивые данные о характере осцилляций. Новая работа показывает, что все расхождения могут объясняться одной физической моделью. Поведение образцов, как утверждают авторы, зависит от концентрации носителей заряда: в материалах с низкой концентрацией, как в этом исследовании, аномальный эффект становится заметен, а с высокой – доминируют стандартные механизмы.
