电子等待其转向新模型解释了3D量子材料

　　拓扑量子金属中等待被磁场激活的电子。一旦它们开始运动，它们就会沿着螺旋状的螺旋向上运动——这与之前提出的在二维平面上绕圈运动的图像形成了对比。这就产生了一种特殊的效应，它是很有前途的拓扑量子现象的基础。来源:Jorg Bandmann
　　来自卓越群的科学家。量子物质的复杂性和拓扑已经发展了一个新的理解如何电子表现在强磁场。他们的研究结果解释了三维材料中电流的测量，这种测量表明了量子霍尔效应——一种目前只与二维金属有关的现象。这种新的3D效应可以成为拓扑量子现象的基础，这种现象被认为是特别强大的，因此有希望成为极其强大的量子技术的候选者。这些研究结果刚刚发表在科学杂志《自然通讯》上。
　　Tobias孟博士和Johannes Gooth博士是Würzburg-Dresdner Cluster of Excellence ct的早期职业研究人员。自2019年以来研究拓扑量子材料的Qmat公司。他们很难相信最近发表在《自然》杂志上的一项发现，该发现声称拓扑金属ZrTe5 (ZrTe5)中的电子只在二维平面上运动，尽管该材料是三维的。孟和goth因此开始了他们自己对ZrTe5材料的研究和实验。来自Technische Universität Dresden (TUD)的孟开发了理论模型，来自Max Planck固体化学物理研究所的Gooth设计了实验。用不同的技术进行七次测量总是得到相同的结论。
　　电子等着轮到它们
　　孟和Gooth的研究为霍尔效应在三维材料中的作用描绘了一幅新的图景。科学家们认为，电子沿着三维路径在金属中移动，但它们的电输运仍然可以表现为二维的。在拓扑金属五酰化锆中，这是可能的，因为一部分电子仍在等待被外部磁场激活。
　　＂电子移动的方式在我们所有的测量中都是一致的，这与二维量子霍尔效应相似。但是我们的电子是螺旋向上运动的，而不是局限于平面的圆周运动。这对量子霍尔效应和ZrTe5材料中发生的情况来说是一个令人兴奋的不同，＂孟评论他们的新科学模型的起源。＂这只是因为不是所有的电子都在移动。有些人仍然不动，好像在排队。只有当外加磁场时，它们才会活跃起来。＂
　　实验验证了模型
　　在他们的实验中，科学家们将拓扑量子材料冷却到零下271摄氏度，并施加外部磁场。然后，他们通过向样品发送电流进行电和热电测量，通过分析材料的磁性研究其热力学，并应用超声波。他们甚至使用x射线、拉曼光谱和电子光谱学来研究这种材料的内部工作原理。TUD量子设计Emmy Noether小组的负责人孟解释说:＂但是我们的7次测量都没有显示电子只在二维空间运动。＂孟是目前这个项目的主要理论家。＂事实上，我们的模型出奇地简单，而且仍然完美地解释了所有的实验数据。＂
　　三维拓扑量子材料的展望
　　获得诺贝尔奖的量子霍尔效应于1980年被发现，它描述了电流在金属中的逐步传导。它是拓扑物理学的基石，这个领域自2005年以来经历了激增，因为它对21世纪功能材料的承诺。然而，到目前为止，量子霍尔效应只在二维金属中观察到过。本出版物的科学成果扩大了对三维材料如何在磁场中表现的理解。簇成员孟和Gooth打算进一步研究这个新的研究方向:＂我们肯定想更详细地研究3D金属中电子的排队行为，＂孟说。