Quanten-Hall-Effekt und die dritte Dimension

Der quasi-quantisierte Hall-Effekt ist ein drei-dimensionaler Verwandter des Quanten-Hall-Effekts in zwei dimensionalen Systemen.

27. Mai 2021

Der Quanten-Hall-Effekt spielt traditionell nur in zweidimensionalen Elektronensystemen eine Rolle. Kürzlich jedoch wurde eine dreidimensionale Version des Quanten-Hall-Effekts im Dirac-Halbmetall ZrTe5 beschrieben. Es wurde vorgeschlagen, dass diese Version aus einer magnetfeldinduzierten Fermi-Oberflächeninstabilität resultiert, die das ursprünglich drei-dimensionale Elektronensystem in einen Stapel von zwei-dimensionalen Elektronensystemen umwandelt. 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, dem Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik in Halle und am Würzburg-Dresden Cluster of Excellence ct.qmat zeigen können, dass das Elektronensystem von ZrTe5 entgegen der ursprünglichen Erklärung auch im Magnetfeld drei-dimensional bleibt und, dass die quasi-Quantisierung des Hall Effekts trotzdem direkt mit Quanten-Hall-Physik verknüpft ist.

Spezifischer Hall-Widerstand als Funktion des angelegten Magnetfeldes bei einer Temperatur von 2 K in Einheiten des Planck’schen Wirkungsquantums h, der Elementarladung e und dem Fermiwellenvektor entlang des angelegten Magnetfeldes kF,z. Links oben zeigt eine Skizze der Probe. Rechts unten ist die drei-dimensionale Fermifläche der Elektronen in ZrTe5 dargestellt.

Universell auch für konventionelle Metalle.

Die Erkenntnisse aus der Studie über Quanten-Hall-Physik in der dritten Dimension lassen sich universell auf konventionale Metalle übertragen und versprechen eine einheitliche Erklärung der in der Vergangenheit oft rätselhaften Plateaus, die bei Hall-Messungen in vielen drei-dimensionalen Materialien beobachtet worden sind. Darüber hinaus kann das Konzept direkt angewendet werden, um den zwei-dimensionalen Quanten-Anomalen-Hall-Effekt auf generische drei-dimensionale Magnete zu verallgemeinern.

Die Ergebnisse wurden in Nature Communications publiziert..

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