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拓扑半金属ZrTe的超量子极限中磁场诱导的里夫希茨转变的特征

Signatures of a magnetic-field-induced Lifshitz transition in the ultra-quantum limit of the topological semimetal ZrTe.

作者信息

Galeski S, Legg H F, Wawrzyńczak R, Förster T, Zherlitsyn S, Gorbunov D, Uhlarz M, Lozano P M, Li Q, Gu G D, Felser C, Wosnitza J, Meng T, Gooth J

机构信息

Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids, Nöthnitzer Straße 40, 01187, Dresden, Germany.

Physikalisches Institut, Universität Bonn, Nussallee 12, 53115, Bonn, Germany.

出版信息

Nat Commun. 2022 Dec 1;13(1):7418. doi: 10.1038/s41467-022-35106-7.

DOI:10.1038/s41467-022-35106-7
PMID:36456570
原文链接:https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC9715529/
Abstract

The quantum limit (QL) of an electron liquid, realised at strong magnetic fields, has long been proposed to host a wealth of strongly correlated states of matter. Electronic states in the QL are, for example, quasi-one dimensional (1D), which implies perfectly nested Fermi surfaces prone to instabilities. Whereas the QL typically requires unreachably strong magnetic fields, the topological semimetal ZrTe has been shown to reach the QL at fields of only a few Tesla. Here, we characterize the QL of ZrTe at fields up to 64 T by a combination of electrical-transport and ultrasound measurements. We find that the Zeeman effect in ZrTe enables an efficient tuning of the 1D Landau band structure with magnetic field. This results in a Lifshitz transition to a 1D Weyl regime in which perfect charge neutrality can be achieved. Since no instability-driven phase transitions destabilise the 1D electron liquid for the investigated field strengths and temperatures, our analysis establishes ZrTe as a thoroughly understood platform for potentially inducing more exotic interaction-driven phases at lower temperatures.

摘要

长期以来,人们一直认为在强磁场中实现的电子液体的量子极限(QL)会呈现出大量强关联物质状态。例如,QL中的电子态是准一维(1D)的,这意味着完美嵌套的费米面容易出现不稳定性。虽然QL通常需要高到无法达到的强磁场,但拓扑半金属ZrTe已被证明在仅几特斯拉的磁场下就能达到QL。在这里,我们通过电输运和超声测量相结合的方法,对高达64 T磁场下ZrTe的QL进行了表征。我们发现ZrTe中的塞曼效应能够通过磁场有效地调节一维朗道能带结构。这导致了向一维外尔区域的里夫希茨转变,在该区域可以实现完美的电荷中性。由于在所研究的场强和温度下,没有不稳定性驱动的相变会破坏一维电子液体,我们的分析将ZrTe确立为一个在低温下可能诱导更多奇异相互作用驱动相的完全理解的平台。

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