量子金屬ZrTe₅顛覆熱傳導認知

在極低溫與強磁場的環境下，研究人員發現了一種名為ZrTe₅的量子金屬展現出令人驚訝的熱振盪現象。這項發現不僅挑戰了物理學的傳統認知，更為熱傳導的研究開啟了全新的視野。

熱傳導是物質最基本的物理特性之一，在許多工程應用中扮演著關鍵角色。科學家對於傳統材料如金屬和絕緣體在常溫下的熱傳導機制已有相當深入的理解。然而，在極端環境下，例如接近絕對零度（−273.15°C）並伴隨強磁場時，量子效應會主導物質的行為，尤其是量子材料，其表現往往超出預期。

由德國赫姆霍茲德勒斯登-羅森多夫研究中心（HZDR）、波昂大學以及法國國家科學研究中心（CNRS）組成的研究團隊，近期對一種半金屬材料——五碲化鋯（ZrTe₅）進行了實驗。他們將這種量子材料置於極低溫與強磁場中，結果發現了顯著的熱振盪現象，這是由一種先前未知的機制所驅動的。

這一發現顛覆了物理學中長期以來的假設：磁性量子振盪——量子行為的標誌——不應出現在半金屬的熱傳導中。然而，實驗結果清楚地顯示了這種現象的存在。這項研究發表於《美國國家科學院院刊》（PNAS），並引發了關於熱如何在量子材料中傳遞的新問題，以及還有哪些驚喜可能隱藏在極低溫環境中。

ZrTe₅屬於一種稱為拓撲半金屬的材料。在物理學中，「拓撲」指的是具有獨特電子結構的材料，這些結構賦予材料極其穩定或受拓撲保護的導電特性。這些材料可以展現出反常且往往違反直覺的量子行為，這些現象被視為開發下一代量子技術的潛在關鍵。

隨著研究人員和產業界競相開發量子電腦，像ZrTe₅這樣的拓撲材料正受到越來越多的關注。ZrTe₅尤其以其非平凡的電子特性組合而聞名，這使得它在高精度電子裝置和磁場感測器中具有潛在應用價值。

當像銀或銅這樣的普通金屬在接近絕對零度的溫度下置於強磁場中時，其熱傳導會出現振盪，這是金屬中電子量子力學動態的典型例子。這種效應源於所謂的費米麵，即金屬中電子佔據與未佔據能態之間的邊界。

然而，在半金屬中，可用於傳遞熱量的電子非常少，因此熱傳導通常被認為是由聲子（代表晶格振動的準粒子）主導的。因此，傳統觀點認為，在熱傳導中不應檢測到量子振盪。

然而，最近的實驗結果卻打破了這一預期，揭示了像ZrTe₅這樣的半金屬在熱傳導中出現了巨大的量子振盪。這些令人驚訝的結果促使科學家重新思考量子材料中熱傳導的機制。

這項研究顯示，在半金屬中，強磁場下的熱傳導機制非常違反直覺。雖然熱傳導確實主要由晶格振動主導，但由於強磁場的存在，電子能量被限制在離散的能級中。這一過程顯著增強了電子與聲子之間的相互作用，從而使得聲子繼承了電子的一些特性，並在傳導中展現出量子振盪。

研究團隊透過在強磁場和接近絕對零度的溫度下研究ZrTe₅的熱導率和超聲衰減，證實了這一非常規現象的存在。實驗中，他們檢測到了具有電子子系統特徵頻率的熱量子振盪，但其振幅的溫度依賴性卻遵循聲子的特徵行為，這清楚地表明瞭所提出的機制在起作用。

值得注意的是，這一原理不僅限於ZrTe₅，而是適用於所有低載流子密度的半金屬，無論它們是否具有拓撲特性。著名的例子包括石墨烯和鉍。這項研究表明，晶格振動的熱導率可以作為一種靈敏的工具，用於研究那些透過其他方法難以檢測到的微妙量子效應。

參考文獻：Baptiste Bermond et al., Giant quantum oscillations in thermal transport in low-density metals via electron absorption of phonons, Proceedings of the National Academy of Sciences (2025). DOI: 10.1073/pnas.2408546122