Korrelierte Quanten-Hall-Physik in der dritten Dimension

Dreidimensionale Metalle zeigen Quanten-Hall-Physik, von der angenommen wurde, dass sie ausschließlich zweidimensionalen Materialien vorbehalten ist.

26. November 2020

Traditionell wird der Quanten-Hall-Effekt ausschließlich mit zweidimensionalen Metallen in Verbindung gebracht. Jetzt fanden Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe Signaturen eines unkonventionellen Hall-Effekts im Quantenlimit des Bulk-Metalls HfTe5, der neben dem dreidimensionalen Quanten-Hall-Effekt eines einzelnen Elektronenbandes bei niedrigen Magnetfeldern auftritt.

Der Quanten-Hall-Effekt ist ein Beispiel für ein Quantenphänomen, das in einem wirklich makroskopischen Maßstab auftritt und traditionell nur zweidimensionalen Metallen vorbehalten ist. Es hat viele wichtige Aspekte der Quantenphysik aufgeklärt und unser Verständnis von korrelierten Systemen vertieft. Jetzt haben Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe in Dresden, an der Technischen Universität Dresden, am Brookhaven National Laboratory in New York, am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, an der Universität der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und am Würzburg-Dresden Cluster of Excellence ct.qmat einen neuen korrelierten elektronischen Zustand in einem dreidimensionalen Metall entdeckt, das mit Quanten-Hall-Physik verbunden ist.

Hall-Widerstand (Resistivity) als Funktion des Magnetfelds (Magnetic Field) bei 2 K in Einheiten der Planck-Konstante h, der Elementarladung e und des Fermi-Wellenvektors entlang des Magnetfelds kF,z.

Quanten-Hall-Physik in den Pentatelluriden

Das Team fand Signaturen eines unkonventionellen Hall-Effekts im Quantenlimit des Bulk-Metalls HfTe5, der neben dem dreidimensionalen Quanten-Hall-Effekt eines einzelnen Elektronenbandes bei niedrigen Magnetfeldern auftritt. Das zusätzliche plateauartige Merkmal in der Hall-Leitfähigkeit des niedrigsten Landau-Niveaus wird von einem Shubnikov-de-Haas-Minimum im longitudinalen elektrischen Widerstand begleitet, und seine Größe bezieht sich mit 3/5 auf die Höhe des letzten Plateaus des dreidimensionalen Quanten Hall-Effekts. Die Ergebnisse stimmen mit starken Elektron-Elektron-Wechselwirkungen überein und etablieren eine unkonventionelle Variante des Hall-Effekts in einem dreidimensionalen Material im Quantenlimit. Die Ergebnisse der Experimente wurden in Nature Communications veröffentlicht.

Es bleibt spannend

Die Untersuchung der neuartigen Eigenschaften der Quanten-Hall-Physik in dreidimensionalen Metallen könnte es Wissenschaftlern nicht nur ermöglichen, das mysteriöse Reich der Quanten-Hall-Physik besser zu verstehen, sondern auch das Gebiet stark korrelierter topologischer Materialien weiter zu erschließen.

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