近日，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)院強(qiáng)磁場中心低功耗量子材料團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、南方科技大學(xué)團(tuán)隊(duì)，依托穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)裝置所屬水冷磁體WM5，利用強(qiáng)磁場在弱拓?fù)浣^緣體中成功構(gòu)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(jī)制導(dǎo)致的巨大能斯特平臺。相關(guān)研究成果《Observation of Giant Nernst Plateau in Ideal 1D Weyl Phase》發(fā)表于美國物理學(xué)會期刊Physical Review Letters上。

反常能斯特效應(yīng)是一類典型的橫向熱電效應(yīng)，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(yīng)?；谶@一機(jī)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(jìn)展，能斯特平臺的幅度仍然比縱向熱電效應(yīng)弱多個(gè)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(jī)制具有重要意義。

該研究團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，在強(qiáng)磁場條件下發(fā)現(xiàn)了一種全新的熱電轉(zhuǎn)換機(jī)制。通過對弱拓?fù)浣^緣體五碲化鉿（HfTe?）在0–33 T強(qiáng)磁場下的塞貝克效應(yīng)和能斯特效應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)測量，研究團(tuán)隊(duì)直接觀測到兩個(gè)磁場誘導(dǎo)的相變：在B? = 1.45 T處，能斯特信號發(fā)生符號反轉(zhuǎn)，標(biāo)志著第零朗道能級發(fā)生能隙閉合轉(zhuǎn)變；隨著磁場增強(qiáng)，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?fù)?/span>Lifshitz轉(zhuǎn)變。這兩次相變過程與弱拓?fù)浣^緣體在強(qiáng)磁場下的理論相圖高度吻合。當(dāng)磁場進(jìn)一步增大至B? = 20 T以上時(shí)，HfTe?進(jìn)入由第零朗道能級構(gòu)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(guān)的特性，形成一個(gè)穩(wěn)定的巨大能斯特平臺，其幅值在2 K低溫下高達(dá)50 μV/K，遠(yuǎn)超以往報(bào)道的所有反常能斯特效應(yīng)數(shù)值。理論分析進(jìn)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(jī)制：橫向熱電效應(yīng)主要由縱向電阻主導(dǎo)，而非傳統(tǒng)機(jī)制中的橫向電阻。這一發(fā)現(xiàn)不僅拓展了對外爾費(fèi)米子的認(rèn)知，也為顯著提升熱電轉(zhuǎn)換效率開辟了新路徑。

強(qiáng)磁場科學(xué)中心碩士張勇和蔡佳強(qiáng)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(xué)技術(shù)大學(xué)趙鵬露副研究員及南方科技大學(xué)盧海舟教授為共同通訊作者。該項(xiàng)研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院建制化科研平臺等項(xiàng)目的支持。

論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/4zlp-n5qm

圖1. 弱拓?fù)浣^緣體HfTe₅強(qiáng)磁場下塞貝克效應(yīng)和能斯特效應(yīng)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