导热能力是物质最基本的性质之一，对工程应用至关重要。科学家们对传统材料（如金属和绝缘体）如何导热非常清楚。然而，在接近绝对零度的极端条件下结合强磁场的情况下，情况并不那么简单，奇怪的量子效应开始占主导地位。这在量子材料领域尤为真实。德累斯顿罗斯多夫赫尔姆霍兹中心（HZDR），波恩大学和法国国家科学研究中心（CNRS）的研究人员现在将半金属五碲化锆（ZrTe5）暴露于高磁场和极低温度下。他们发现了一种新机制导致的显著增强的热振荡。这一发现挑战了广泛的信念，即在半金属的热传导中不应能探测到磁量子振荡，科学家们在《PNAS》杂志上报道了这一研究结果。
量子材料ZrTe5属于所谓拓扑半金属的类别。在物理学中，术语“拓扑”描述了由于其独特的电子结构而具有极其坚固（“拓扑保护”）导电性质的特殊材料。在这些材料中，量子效应可以导致非常规且常常是奇异的现象，这可能在推动未来量子技术方面发挥关键作用。值得注意的是，研究和工业界目前都在大力投资开发量子计算机，拓扑材料正在成为实现量子计算的有希望的途径。ZrTe5就是一个例子：它结合了稀有的一组非平凡电子属性，使其在高精度电子应用和磁场传感器技术中潜在相关。
“当像银或铜这样的普通金属在接近绝对零度（-273.15°C）的强磁场中时，其导热预期会出现振荡——这是金属中电子量子力学动态的一个突出例子。这个效应源于所谓的费米表面，即金属中电子占据和未占据能级状态之间的边界，”目前在拉德堡大学担任助理教授并在HZDR德累斯顿高磁场实验室担任访问科学家的斯坦尼斯瓦夫·加莱斯基博士解释道。“另一方面，在半金属中，可用于传导热量的电子非常少，因此普遍认为导热主要由声子主导——表示晶格振动的涌现粒子。因此，量子振荡在热传导中不应能探测到，”加莱斯基总结了更传统的期望。然而，最近的几项实验发现半金属的导热中存在巨大的量子振荡，这对热传导机制提出了质疑。
反直觉机制，惊人行为
本研究表明，这一现象源于半金属在强磁场下导热的非常反直觉机制。“结果表明，热传输确实主要由晶格振动主导。然而，由于强磁场的存在，电子能量被限制为离散能级。这个过程极大增强了电子与声子之间的相互作用。因此，声子继承了一些电子的特性，并在导电中自身表现出量子振荡，”HLD的托尼·赫尔姆博士概述了这一过程。
“我们通过研究强磁场和仅略高于绝对零度的温度下半金属ZrTe5的热导率和超声衰减，证实了这一非常规现象的存在。在我们的实验中，我们检测到具有电子子系统特征频率的清晰热量子振荡。然而，它们的振幅温度依赖性明显遵循声子的特征行为——这清楚地表明所提机制正在发挥作用，”加莱斯基回忆道。
值得注意的是，这一原理并不局限于ZrTe5，还适用于所有低载流子密度的半金属——不论它们是否为拓扑材料。著名的例子包括石墨烯和铋。这项研究表明，晶格振动的热导率可以作为一种敏感工具，用于研究可能通过其他手段几乎无法探测到的微小量子效应。
