对数周期量子振荡—狄拉克材料中的原子塌缩现象和离散标度不变性

超临界塌缩是相对论量子力学理论的重要预言，然而由于当自然界中缺乏超重原子, 这一现象目前并未得到实验直接证实。离散标度不变性是连续标度对称性破缺的结果，体系的特征尺度满足等比数列而导致出现对数周期性。离散标度不变性体现在地震、湍流、金融危机等多个研究领域。在物理学领域内，冷原子领域的Efimov三体束缚态已观测到离散标度不变性，然而固体材料体系中的离散标度不变性极为罕见。

2018年，北京大学王健教授与谢心澄院士等合作在拓扑材料ZrTe5中发现了一种全新规律的量子振荡——对数周期磁阻振荡，揭示了体系中准粒子存在原子塌缩现象和伴随出现的离散标度不变性(Science Advances 4, eaau5096 (2018))。这一工作是固体材料中目前已知的第三类量子振荡，因而受到相关领域研究者的广泛关注，并引发了一系列有待深入研究的问题。其中，对数周期量子振荡在其他物理可观测量及其他狄拉克材料中是否普适存在，是非常重要并且关键的一个问题。最近，北京大学量子材料中心王健教授与谢心澄院士和北京师范大学刘海文研究员、香港理工大学戴吉岩教授与Shu Ping Lau教授、武汉脉冲强磁场中心李亮教授与王俊峰研究员、中科院稳态强磁场中心田明亮研究员与郗传英博士、浙江大学王勇教授，以及美国阿冈国家实验室David Mandrus教授与Jiaqiang Yan博士等合作，在《国家科学评论》(National Science Review，NSR) 发表研究论文“Log-periodic quantum magneto-oscillations and discrete scale invariance in topological material HfTe5”（https://doi.org/10.1093/nsr/nwz110），报道了在拓扑材料HfTe5中外加磁场时纵向电阻和霍尔电阻上观测到的对数周期量子振荡。王健教授、刘海文研究员与戴吉岩教授为本文共同通讯作者，王慧超博士与博士生刘彦昭为文章共同第一作者。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、量子物质科学协同创新中心、中科院卓越创新中心、北京市自然科学基金、中央高校基本科研基金、香港GRF基金、香港理工大学战略计划与博士后基金，以及美国能源部基金的支持。

研究者们在最高58T的脉冲强磁场下对拓扑材料HfTe5的单晶进行了系统的电输运测量。不同样品的纵向磁电阻都表现出明显的对数周期量子振荡，如图(a)所示。进一步变温实验表明，对数振荡在该体系中到80 K以上的温度才会消失(图(b))。更重要的是，研究者们实现了对数振荡在霍尔结果中的首次观测，如图(c)所示，这表明离散标度不变性广泛存在于不同的输运系数之中。同时，从图(d)中可以看出，同一个样品的磁电阻和霍尔电阻上的对数周期量子振荡具有一致的周期性，并且存在一个稳定的相位差。

基于拓扑材料HfTe5中的实验结果，研究者们进一步揭示了其背后的物理机制。在HfTe5中，无质量的狄拉克粒子受到库仑吸引而形成满足离散标度不变性的准束缚态。在外加磁场下，准束缚态的能级逐个经过费米面，并对费米面处的载流子引起散射，导致电阻发生对数周期的振荡。此外，磁电阻和霍尔电阻中对数振荡的相位差，确认了对数振荡来自于费米面附近的共振散射，这种情形类似于二维体系中的整数量子霍尔效应中所存在的相位差。

狄拉克材料中的准粒子满足相对论性方程, 并且体系的精细结构常数远大于真空中取值，因此是在凝聚态体系中观测超临界原子塌缩现象和离散标度不变性等量子现象的理想平台。这一最新发现表明对数周期量子振荡和离散标度不变性在狄拉克材料中存在普适性，有助于深入理解固体系统中这些新奇的现象。

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See the article:

Log-periodic quantum magneto-oscillations and discrete scale invariance in topological material HfTe5

Huichao Wang, Yanzhao Liu, Yongjie Liu, Chuanying Xi, Junfeng Wang, Jun Liu, Yong Wang, Liang Li, Shu Ping Lau, Mingliang Tian, Jiaqiang Yan, David Mandrus, Ji-Yan Dai, Haiwen Liu, X. C. Xie and Jian Wang

Natl Sci Rev

https://doi.org/10.1093/nsr/nwz110

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