4月14日，《自然·通讯》（Nature Communications）在线发表了国家脉冲强磁场科学中心用户中山大学王慧超教授团队题为“Phonon-scattering-induced linear magnetoresistance in the quantum limit up to room temperature”的论文。该成果是王慧超教授团队与三峡大学李帅副教授合作在量子线性磁电阻（linear magnetoresistance，LMR）和高温量子输运相关研究中取得的最新进展，中心左华坤工程师和技术人员金港舰提供了脉冲强磁场相关测量。该研究中，王慧超教授团队利用脉冲强磁场设施的电输运测量平台，在60T脉冲强磁场下开展了系列研究，首次实现了强磁场量子极限下声子散射导致的高温量子LMR效应，这种声子介导的LMR机制与以往发现的LMR的物理来源不同，揭示了电子-声子相互作用在量子极限区域的关键作用，为实现高温下的量子输运现象和开发高温量子器件提供了一种新路径。
金属或半导体在强磁场中的新奇量子现象是凝聚态物理学的长期关注重点之一。当磁场足够强、体系进入仅由最低朗道能级占据的量子极限时，电子与电子、杂质或声子等之间的相互作用可以诱导出一系列有趣发现，例如量子LMR、电荷/自旋密度波、量子霍尔效应、对数振荡等。其中，量子LMR由诺贝尔奖得主Abrikosov提出，基于量子极限下的库伦杂质散射解释了窄带隙拓扑材料中的LMR现象。事实上，自诺贝尔奖得主Kapitsa在1928年发现LMR以来，LMR近些年在各种材料体系中被广泛观测到，引发了实验和理论的广泛研究。然而，实现高温和室温下的量子机制主导的LMR非常具有挑战性，因为高温下的热涨落和增强的声子散射通常会削弱量子输运特征。在高温乃至室温条件下实现稳健的量子输运效应，对基础物理机制研究和实际量子器件发展都具有重要意义。
围绕拓扑材料在强磁场条件下的量子输运行为，王慧超教授团队与合作者前期已开展了系统性研究，取得了一系列创新成果包括：拓扑材料ZrTe5和HfTe5中与离散标度不变性相关的对数周期量子振荡[Science Advances 4, eaau5096 (2018); National Science Review 6, 914-920 (2019)]，较高掺杂浓度外尔半导体Te中的低温Abrikosov量子LMR[Advanced Electronic Materials 8, 11 (2022)]；Ag2Se中拓扑绝缘体独特的电阻异常谷和磁场诱导的拓扑相变[Physical Review B 111, 085135 (2025) (Editors' Suggestion)]。这些研究加深了对强磁场下拓扑材料量子极限输运行为的理解，也为进一步探索高温量子输运现象奠定了基础。近期，研究团队利用具有较低掺杂浓度的外尔半导体Te取得新的突破：在40K至300K的宽温区及高达60T的脉冲强磁场下，首次发现了一种由量子极限下声子散射诱导的量子LMR效应（图1）。
图1 量子极限下声子散射诱导的量子线性磁电阻原理示意图
声子散射在量子极限下导致LMR这一理论在1977年已由Vijay K. Arora等人提出，但始终缺乏明确的实验验证。碲作为一种外尔半导体，能带中独特的线性色散特征使其在强磁场下能够形成较大的朗道能级间隙，抑制高温下热激发对朗道量子化的破坏。同时，样品较低的载流子浓度使体系能够在较低磁场下进入量子极限，且大多数载流子仍然占据最低朗道能级，从而使量子极限下声子散射导致的LMR在高温甚至室温下依然占据主导。实验结果表明，在高磁场量子极限区域，磁电阻呈现出接近理想的线性关系（见图2b、c），横向和纵向磁电阻中均出现LMR效应，且线性斜率随温度呈现反比关系（见图2d-f）。这些特征为声子散射驱动产生观测到的量子极限LMR提供了关键证据。从微观机制来看，在强磁场量子极限条件下，电子运动自由度被压缩至沿磁场方向的一维通道，声子散射不仅未破坏量子输运，反而通过特定散射通道产生线性磁场响应（图2a），从而导致线性磁电阻，说明高温声子散射可以在特定条件下成为维持量子输运的重要因素。
图2 a为量子极限下的声子散射通道示意图；b、c为Te中的横向和纵向LMR效应；d-f是利用声子散射诱导的量子LMR理论拟合磁电阻斜率随温度的变化，得到该体系预期的有效质量。
本研究首次在实验上证实了：在量子极限条件下，声子散射可以驱动线性磁电阻，并能够在高温乃至室温环境下保持该效应的稳定性。这一发现不仅拓展了对量子LMR机制和高温量子输运现象的理解，也为在实际工作环境下探索可控量子输运及相关电子器件提供了新路径。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-71665-9
