近日，穩態強磁場實驗裝置（SHMFF）用戶中國科學技術大學曾長淦教授課題組首次在單元素半導體碲中發現了由外爾費米子主導的手性反常現象以及以磁場對數為周期的量子振蕩，成功將外爾物理拓展到半導體體系。該研究成果在線發表于《美國國家科學院院刊》。該工作部分強磁場實驗在SHMFF水冷磁體上完成。

　　在新型量子材料中，具有特殊能帶結構的拓撲材料也兼具新奇電子輸運特性。相關研究不僅可以加深對于拓撲物態的理解，更有望推動新型高性能電子學器件的發展。一個典型的代表是目前引起廣泛關注的外爾半金屬體系，其輸運研究往往表現出超大非飽和磁阻、平行磁場下的負磁阻效應、平面霍爾效應等諸多特性，而表面外爾弧更是提供了高遷移率和低功耗的電子學通道。這些特性都源自費米面附近外爾費米子的存在。迄今為止，對于外爾費米子以及外爾物理的研究都局限于半金屬體系。然而從器件應用角度，半導體相對于半金屬有其獨特的價值。

　　碲是一種窄能帶半導體，由于空間反演對稱性破缺以及相應的強自旋軌道耦合，在價帶頂附近存在能帶交叉的外爾點。該團隊通過物理氣相沉積法制備出高質量碲單晶，其空穴自摻雜特性使費米能級處于價帶頂，進而顯著增強了外爾費米子對輸運性質的影響。低溫輸運研究進一步揭示了碲單晶表現出由于手性反常導致的典型磁輸運特征，包括磁場平行于電流方向時的負磁阻效應，以及磁場在樣品平面時發生的平面霍爾效應。在此基礎上，曾長淦教授課題組與合肥研究院強磁場中心郗傳英副研究員合作，借助SHMFF所屬WM1測試了強磁場下的電輸運表現，更進一步發現了罕見的以磁場對數為周期的磁阻和霍爾電阻量子振蕩。這種新型量子振蕩是自相似的離散標度不變性的體現，可以歸因于碲晶體中精細結構常數（7.5）遠大于真空取值（1/137）從而使外爾費米子與異性電荷中心形成共振態形式的準束縛態。

　　該工作首次實現了將新奇拓撲屬性和半導體屬性有機結合的“拓撲外爾半導體”。如果把費米能級從價帶調到能隙，會發生金屬-絕緣體轉變，并伴隨拓撲非平庸態到平庸態的轉變，這一外爾半導體獨有的特性不存在于外爾半金屬。外爾半導體的發現為設計新型拓撲半導體器件提供了新思路。

　　該研究得到了國家自然科學基金、科技部、中科院以及安徽省的資助。

　　文章鏈接：https://www.pnas.org/content/early/2020/05/11/2002913117。

穩態強磁場下測量得到的磁阻和霍爾電阻的量子振蕩行為