（通讯员 叶煜豪）1月20日，《npj量子材料》（npj Quantum Materials）在线刊发了国家脉冲强磁场科学中心极端量子输运团队题为“High-field immiscibility of electrons belonging to adjacent twinned bismuth crystals”（邻界铋孪晶中电子的高场不混溶性）的论文。该成果是依托脉冲强磁场设施电输运实验测试平台，由中心朱增伟教授联合美国洛斯阿拉莫斯脉冲强磁场实验室（NHMFL-PFF）、美国国家强磁场实验室（NHMFL）、法国图卢兹脉冲强磁场实验室（LNCMI-EMFL）、日本东京大学脉冲强磁场实验室（ISSP）等全球主要强磁场设施，并与巴黎高等物理化工学院Kamran Behnia教授、法兰西学院Benoît Fauqué研究员、日本电气通信大学Yuki Fuseya教授、牛津大学Arzhang Ardavan教授等合作完成。朱增伟教授为论文通讯作者，中心博士生叶煜豪为论文第一作者，博士生聂盼、王金华、许良才以及工程师左华坤参与了相关工作。
铋（bismuth）作为传统的半金属材料，铋的菱面体结构是通过改变立方体体对角线而形成的，由于可以沿着四条体对角线中其中一条实现，孪晶的形成在铋晶体中很常见，这种主孪晶边界的存在误导了研究人员在铋中寻找集体电子性质。由于铋具有复杂的朗道谱，该团队利用强磁场下的电输运、能斯特效应、超声和磁光，对半金属铋在强磁场下的奇异行为进行了深入研究。
图为铋的沿binary-trigonal磁电阻(a)、朗道谱(b)、主孪晶费米面结构(c)、沿主晶trigonal方向上的主晶和孪晶的费米面以及各自化学势随磁场的变化（d）。
研究团队利用脉冲强磁场设施高达65T的输运实验平台，系统研究了铋的磁电阻，如图a所示（图中仅展示了三个高对称平面的其中一个平面，详细见论文）。通过磁电阻对磁场的二级求导出的峰值，绘制了整个立体角即三个高对称平面上的朗道谱，将该高对称平面的理论预测与实验峰值进行了比较。图b中，红色符号和蓝色符号分别表示主晶和孪晶空穴的峰，红色线条和蓝色线条分别代表从主晶和孪晶空穴中计算得到的朗道能级，红色虚线是计算得到的0e−电子朗道能级，它对应于场沿三角形时磁阻的大幅下降，澄清在trigonal方向上40T左右电阻迅速下降的奇异行为来自孪晶中电子口袋的清空。图c描绘了主晶和孪晶的费米面，也表明在高达65T的磁场下，所观察到的朗道谱可用主晶加该倾斜108°的孪晶的单粒子图像来解释述。有趣的是，主晶和孪晶在高磁场下保持独立的化学势。根据图d的理论计算，在65T时化学势之差高达68meV，意味着主晶和孪晶之间存在巨大的能量势垒，表明其中存在着类似金属-半导体之间的肖特基势垒或p-n结。然而，主孪晶都是半金属材料是如何形成该能量势垒的？这预示存在着通过主晶和孪晶边界上相反符号的载流子的积累而建立，类似于Landauer提出的金属内部点状散射中心存在着未屏蔽的偶极场，这种新型的存在于金属间的势垒可在今后研究中开展验证工作。
该工作得到了国家重点研究发展计划、国家自然科学基金和中央高校基本科研基金等项目支持。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41535-024-00625-7
