近日，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強(qiáng)磁場科學(xué)中心副研究員張警蕾、北京大學(xué)研究員賈爽、南方科技大學(xué)教授盧海舟等人組成的研究團(tuán)隊利用穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場裝置揭示了外爾半金屬TaAs的不飽和量子磁性。相關(guān)成果以Non-saturating quantum magnetization in Weyl semimetal TaAs 為題，在線發(fā)表于《自然-通訊》（Nature Communications）。

　　在拓?fù)洳牧现校娮泳哂蓄愃乒庾拥木€性色散關(guān)系，是一種無質(zhì)量的相對論粒子。磁場是研究拓?fù)洳牧衔镄缘闹匾{(diào)控手段。當(dāng)外加磁場足夠強(qiáng)時，電子最終都會落在最低的朗道能級上，材料此時進(jìn)入量子極限態(tài)。在這種情況下，相對論粒子往往會導(dǎo)致宏觀輸運(yùn)性質(zhì)表現(xiàn)出一些現(xiàn)象。目前，對這些特性的表征主要依賴于電輸運(yùn)性質(zhì)的測量。

　　磁性反映了電子的熱力學(xué)行為，目前在量子極限之上對這些相對論粒子體系磁性的實驗研究相對較少。依托于穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場裝置水冷磁體，張警蕾等人利用懸臂式磁扭矩測試設(shè)備，對外爾半金屬TaAs強(qiáng)磁場下的磁性質(zhì)進(jìn)行了深入研究。實驗研究結(jié)果顯示，進(jìn)入量子極限以后，TaAs的有效橫向磁化強(qiáng)度和平行磁化強(qiáng)度均隨著磁場呈線性增長。進(jìn)一步的理論計算結(jié)果顯示，非相對論粒子體系的磁化強(qiáng)度會在量子極限之上達(dá)到飽和；而相對論粒子體系的磁化強(qiáng)度則會出現(xiàn)不飽和的增長。因此TaAs在強(qiáng)磁場下表現(xiàn)出的這種非飽和的磁化強(qiáng)度正是相對論性粒子在量子極限之上熱力學(xué)性質(zhì)的獨有特性。

　　值得指出的是，由于各種拓?fù)潆娮硬牧系哪軒τ诎ㄗ孕壍礼詈弦约盎瘜W(xué)勢在內(nèi)的各種參數(shù)高度敏感，決定電子拓?fù)湫再|(zhì)的能量尺度可能小至毫電子伏量級，因此通常的譜學(xué)測量往往無法分辨能帶的細(xì)節(jié)。而普通的電輸運(yùn)測量只能表征費米面的貝里曲率，無法區(qū)分相對論的電子能帶是否存在能隙。這一研究提出了一種更為直接的實驗依據(jù)來探測這種相對論粒子。

　　該工作強(qiáng)磁場實驗部分得到中科院青年促進(jìn)會、中科院科研儀器設(shè)備研制項目、合肥物質(zhì)科學(xué)技術(shù)中心創(chuàng)新項目培育基金等的支持。

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左：外爾半金屬能帶示意圖。右：TaAs磁扭矩、正交磁化率隨磁場的變化。