Log-periodiske kvanteoscillationer og diskret skala-invariance i Dirac-materialer

Et grundlæggende problem med kvanteelektrodynamik er skæbnen for den superkraftige atomkerne, som foreslås at falde sammen, når atomnummeret overstiger en bestemt værdi. Imidlertid, dette spændende superkritiske kollapsfænomen forbliver undvigende i forsøg. Diskret skala invariance (DSI) er en skala anomali med krænkelse af den kontinuerlige skala symmetri. Den spændende log-periodicitet er den karakteristiske signatur af DSI, der eksisterer i ruptur, vækstprocesser, turbulens, finansiere, og så videre. DSI -funktionen er af stor interesse for kvantefysik, mens det sjældent kan realiseres i kvantesystemer eksperimentelt. Det tidligere kendte eksempel med DSI i kvantefysik fokuserer kun på Efimov trimerstatus.

En ny type kvantemagneto-resistensoscillationer er blevet observeret i topologisk materiale ZrTe ₅ (Science Advances 4, eaau5096 (2018)), udgør den tredje kendte særprægede periodicitet i de næsten 90 år, der leder efter kvantesvingninger i faste stoffer. I øvrigt, opdagelsen af ​​de eksotiske logB periodiske svingninger kan praktisk talt repræsentere den diskrete skala invariance forbundet med de kvasi-bundne tilstande dannet gennem superkritisk atomkollaps i Dirac-materialer. Sådan en særlig egenskab formodes at være universel i Dirac -materialer med Coulomb -tiltrækning. Dermed, det er ønskeligt at udvide undersøgelserne til at omfatte andre topologiske systemer, og endnu vigtigere for andre fysiske observerbare. I et nyt værk offentliggjort i National Science Review , Beijing-baseret forskningssamarbejde ledet af prof. Jian Wang, Prof. Haiwen Liu og Prof. Jiyan Dai har afsløret universaliteten af ​​de log-periodiske kvantemagneto-oscillationer og DSI-fænomenet i Dirac-materialer ved hjælp af magneto-transportresultater af HfTe ₅ krystaller.

Forskere målte HfTe's magneto- og Hall-modstand ₅ krystaller ved pulserede magnetfelter op til 58 T og statiske magnetfelter op til 25 T. Tydelige logB-periodiske kvanteoscillationer, der signalerer DSI, observeres i den langsgående magneto-resistens (MR) (underfigur (a)), uafhængig af de mindre forskelle i prøvekvaliteten. Temperaturafhængigheden af ​​de logB-periodiske svingninger i HfTe5 er vist i underfigur (b). Man kan se, at de log-periodiske træk bliver usynlige, når temperaturen øges til at være over 80 K. Desuden for første gang, DSI-signalet med bemærkelsesværdig logB-periodicitet opdages i Hall-sporene efter HfTe5-krystallerne. Fundet indikerer en samlet effekt af DSI -funktionen på systemets transportegenskaber. De anden afledte resultater af Hall -dataene er vist i underfiguren (c). Ud over, MR- og Hall -resultaterne på den samme prøve er vist i underfigur (d). Det konstateres, at fasen af ​​Hall -data i svingningerne er lidt foran MR, minder om det i den todimensionale quantum Hall-effekt.

De log-periodiske svingninger i Dirac-materialer blev tilskrevet fænomenet superkritisk atomkollaps og de ledsagende kvasibundne tilstande med diskret skala-invariance i Dirac-materialer. Kvasi-partiklen i Dirac-materialer adlyder den relativistiske ligning, og Fermi -hastigheden er meget mindre end lysets hastighed i vakuum. Dermed, værdien af ​​finstrukturkonstanten i Dirac-materialer er meget større end værdien i vakuum, som giver en lovende platform til at undersøge det superkritiske atomkollapsfænomen. På grund af den store værdi af finstrukturkonstanten i disse solid state-systemer, Coulomb -tiltrækningen giver anledning til det superkritiske atomkollaps i analogi med det fænomen, der foreslås at eksistere i supertunge atomer. I øvrigt, den masseløse Dirac -ligning med Coulomb -attraktion bevarer den diskrete skala invariance, i modsætning til den diskrete skalasymmetri, der bryder i massiv Dirac -ligning af superkraftige atomer.

I topologisk materiale HfTe5, de log-periodiske kvanteoscillationer i både den langsgående MR og Hall-modstanden er tæt forbundet med de kvasi-bundne tilstande af Weyl-partikler fra hulbåndet med langtrækkende Coulomb-tiltrækning, når bærertætheden er så fortyndet, og langtrækkende Coulomb-tiltrækning genereres af ladningsurenheden eller den modsatte type bærere. Bortset fra de kvasi-bundne stater nær Coulomb centrum, stort antal mobilselskaber findes også i Fermi -overfladen. Dermed, resonansspredningen mellem mobilbærerne og de kvasi-bundne tilstande omkring Fermi-niveauet bestemmer materialets transportegenskaber, f.eks. den langsgående MR og Hall -sporene. Yderligere teoretisk analyse betyder, at π/2-faseskiftet stammer fra resonansspredningen mellem mobilbærerne og de kvasi-bundne tilstande, deler den samme oprindelse for de log-periodiske svingninger. I øvrigt, forskere har analyseret indflydelsen af ​​et lille båndgab på DSI -funktionen og tydeliggjort dens relevans for forskellige topologiske materialer.

Dirac-materialer, der viser log-periodicitet, giver lovende platforme til at undersøge det sjældent observerede superkritiske atomkollapsfænomen og den diskrete skala invariance-funktion. Dette arbejde giver ny indsigt i retning af yderligere forståelse af universaliteten og den fysiske karakter af de log-periodiske kvantesvingninger i Dirac-materialer.