9月26日，《通讯-物理》（Communications Physics）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“Evolution and breakdown of chiral anomaly in Weyl semiconductor tellurium”的论文。该成果由中山大学、华南师范大学、华中科技大学和首都师范大学等单位合作完成，中心左华坤工程师和金港舰实验员提供了60T脉冲强磁场下的相关测量工作。

手性反常是外尔体系区别于传统电子材料的重要物理效应。当电场与磁场平行时，手性反常驱动相反手性外尔节点之间的载流子泵浦，形成节点间载流子数目不平衡，产生额外的纵向电导贡献，可表现为纵向负磁阻。然而，如何通过费米能级调控这一效应，以及它在量子极限乃至更强磁场下如何演化，仍缺乏系统的实验认识。特别是在极端量子极限下，增强的电子关联可能改变原有的手性输运，诱导新的集体电子态，为探索拓扑与关联的相互作用提供了重要契机。

外尔半导体碲（Te）具有相对简单的能带结构和高度可调的载流子浓度，是实现外尔费米子输运调控的理想平台。其外尔点位于价带内，研究所用的碲单晶呈p型导电，费米能级位于价带内，并随空穴浓度增加向外尔点靠近。研究团队通过调节晶体生长条件，获得了不同空穴浓度和费米能级位置的单晶样品（图1A）。其中，B1批次样品的空穴浓度最高，费米能级E_F相对更靠近外尔点，在相互平行的电场和磁场下表现出明显的纵向负磁阻（图1B）。不同电极配置和样品几何下结果的稳定性，排除了电流喷射等效应作为负磁阻的主要来源；结合角度、磁场、样品及载流子浓度依赖等检验，研究支持其源于手性反常。定量拟合进一步发现，随着E_F靠近外尔点，表征手性反常贡献的磁电导系数C_w显著增大（图1C）。强磁场下的负磁阻最大幅度约为60%，且负磁阻效应可持续至室温（图1D）。这一结果揭示了利用半导体载流子调控实现大负磁阻的潜力。

图1 A）不同批次Te单晶的费米能级位置示意图；B）Te的纵向负磁阻可被手性反常公式定量拟合；C）Te单晶中负磁阻对应的手性反常系数C_w随着费米能级靠近外尔点增大；D）负磁阻随着磁场增大先增加后迅速转变成正磁阻行为；E）量子极限区域的正磁电导行为转变为线性磁场依赖，与低场下正比磁场平方的关系不同；F）基于电荷密度波能隙形成的理论计算，为强磁场下手性输运受到抑制及纵向磁阻由负转正提供一种可能解释。理论计算结果与D图的实验结果非常类似。

随着磁场增强，参与输运的空穴逐渐被限制在最低朗道能级，体系进入量子极限。研究发现，手性反常相关的正纵向磁电导由低场的B²依赖转变为以线性磁场依赖为主（图1E），与最低朗道能级中手性输运的理论预期相符。这一转变为量子极限下的手性反常提供了重要输运证据。在低温下进一步增加磁场，纵向负磁阻受到明显抑制，并转变为迅速增大的正磁阻。理论分析表明，极端量子极限中增强的电子相互作用可能诱导电荷密度波，在最低朗道能级中打开能隙，从而抑制原有的手性输运（图1F）。实验中转变磁场随温度的演化，以及转变后电阻的温度依赖，与这一理论解释相符，为探索磁场诱导的关联电子态提供了线索。

图2 纵向磁阻随磁场演化的示意图。在较低磁场，手性反常贡献的纵向正磁电导与磁场平方成正比，表现为纵向负磁电阻。进入量子极限后，该磁电导贡献与磁场大小呈线性依赖。在低温更强磁场下，电子关联可能诱导电荷密度波，使最低朗道能级在费米能级附近打开能隙，从而抑制手性输运。

从较低磁场下磁电导对磁场平方的依赖，到量子极限中的线性依赖，再到更强磁场下负磁阻向正磁阻的转变，该研究展示了外尔半导体Te中手性输运随磁场的演化图景。这些结果表明，费米能级调控与朗道量子化能够显著影响手性输运，而增强的电子关联可能进一步改变其输运表现。该工作为理解外尔体系中拓扑输运与电子关联的相互作用提供了实验依据，也为调控手性输运、探索量子极限下的新奇物态提供了研究思路。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s42005-026-02901-3