近日，中國科學院合肥物質科學研究院強磁場科學中心副研究員張警蕾、北京大學研究員賈爽、南方科技大學教授盧海舟等人組成的研究團隊利用穩態強磁場裝置揭示了外爾半金屬TaAs的不飽和量子磁性。相關成果以Non-saturating quantum magnetization in Weyl semimetal TaAs 為題，在線發表于《自然-通訊》（Nature Communications）。

　　在拓撲材料中，電子具有類似光子的線性色散關系，是一種無質量的相對論粒子。磁場是研究拓撲材料物性的重要調控手段。當外加磁場足夠強時，電子最終都會落在最低的朗道能級上，材料此時進入量子極限態。在這種情況下，相對論粒子往往會導致宏觀輸運性質表現出一些現象。目前，對這些特性的表征主要依賴于電輸運性質的測量。

　　磁性反映了電子的熱力學行為，目前在量子極限之上對這些相對論粒子體系磁性的實驗研究相對較少。依托于穩態強磁場裝置水冷磁體，張警蕾等人利用懸臂式磁扭矩測試設備，對外爾半金屬TaAs強磁場下的磁性質進行了深入研究。實驗研究結果顯示，進入量子極限以后，TaAs的有效橫向磁化強度和平行磁化強度均隨著磁場呈線性增長。進一步的理論計算結果顯示，非相對論粒子體系的磁化強度會在量子極限之上達到飽和；而相對論粒子體系的磁化強度則會出現不飽和的增長。因此TaAs在強磁場下表現出的這種非飽和的磁化強度正是相對論性粒子在量子極限之上熱力學性質的獨有特性。

　　值得指出的是，由于各種拓撲電子材料的能帶對于包括自旋軌道耦合以及化學勢在內的各種參數高度敏感，決定電子拓撲性質的能量尺度可能小至毫電子伏量級，因此通常的譜學測量往往無法分辨能帶的細節。而普通的電輸運測量只能表征費米面的貝里曲率，無法區分相對論的電子能帶是否存在能隙。這一研究提出了一種更為直接的實驗依據來探測這種相對論粒子。

　　該工作強磁場實驗部分得到中科院青年促進會、中科院科研儀器設備研制項目、合肥物質科學技術中心創新項目培育基金等的支持。

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左：外爾半金屬能帶示意圖。右：TaAs磁扭矩、正交磁化率隨磁場的變化。