ZrTe5 中的三维量子 Hall 效应与金属-绝缘体转变
材料科学
2019-07-09 v2 介观与纳米尺度物理
摘要
对称性、维度与相互作用是物质相变与量子态的关键要素。作为一个显著例子，整数量子 Hall 效应（QHE）代表了一种拓扑相，通常被视为二维（2D）电子系统的特征，其许多方面无需诉诸电子-电子相互作用即可理解。将 QHE 推广到三维（3D）系统的诱人可能性早在数十年前就被提出，然而实验上仍难以捉摸。在此，我们报道了在块体 ZrTe5 晶体中观测到 3D QHE 的明确实验证据。由于极高的样品质量，仅占据最低 Landau 能级的极端量子极限可通过低至 1.5 T 的外加磁场实现。值得注意的是，在此 regime 中，我们观测到无耗散纵向电阻率 rho_xx=0，同时伴随充分发展的 Hall 电阻率平台 rho_xy=(1\pm0.1) h/e^2 (\lambda_(F,z)/2)，其中 \lambda_(F,z) 为沿场方向（z 轴）的 Fermi 波长。这一惊人结果强烈暗示在极端量子极限下由增强的相互作用效应驱动的 Fermi 面不稳定性。此外，随着磁场进一步增大，rho_xx 与 rho_xy 均急剧增加并展现出有趣的金属-绝缘体转变，代表了另一磁场驱动的量子相变。我们的发现不仅明确揭示了由维度、相互作用与对称性破缺之间错综复杂相互作用所产生的新型物质量子态，也为进一步探索 3D 系统中更奇异的量子相与转变提供了有前景的平台。
引用
@article{arxiv.1807.02678,
title = {Three-dimensional quantum Hall effect and metal-insulator transition in ZrTe5},
author = {Fangdong Tang and Yafei Ren and Peipei Wang and Ruidan Zhong and J. Schneeloch and Shengyuan A. Yang and Kun Yang and Patrick A. Lee and Genda Gu and Zhenhua Qiao and Liyuan Zhang},
journal= {arXiv preprint arXiv:1807.02678},
year = {2019}
}