Силното магнитно поле трябваше да принуди електроните да преминат в най-простия квантов режим и да прекрати обичайните колебания на електрическото съпротивление. Експеримент на учени с циркониев пентателурид (ZrTe5) обаче дал противоположен резултат: колебанията продължили далеч отвъд квантовия праг и придобили форма, която стандартното описание на електронния транспорт не предвиждало.
Международна група физици изследвала ZrTe5 при температура от едва 0,7К, приблизително −272,4°C и в магнитни полета до 60 Tесла. Резултатите от изследването, публикувани в Nature Communications сочат към нов режим на квантуване, възникващ благодарение на необичайната електронна структура на топологичния материал.Циркониевият пентателурид отдавна привлича физиците с положението си близо до границата между две топологични фази. Ниската концентрация на носители на заряд и почти линейната зависимост на енергията на електроните от импулса позволяват възбужденията вътре в материала да се опишат като триизмерни квазичастици на Дирак. Незначителни промени в състава, механичното напрежение или концентрацията на носителите значително променят поведението на образците, поради което експериментите със ZrTe5 в продължение на години даваха на пръв поглед противоречиви резултати.
В магнитното поле движението на електроните се квантува, а допустимите енергии образуват нива на Ландау. С нарастването на силата на полето нивата последователно преминават през енергията на Ферми – границата между заетите и свободните електронни състояния – поради което съпротивлението на материала периодично се променя. В обичайния случай периодът е свързан с величината 1/B, където B обозначава интензитета на магнитното поле.
При достатъчно силно поле системата достига квантовата граница, когато носителите на заряд остават на най-ниското достъпно ниво на Ландау. Стандартната картина предполага изчезване на обичайната последователност от осцилации след преминаване в подобен режим. В ZrTe5 физиците са регистрирали колебания чак до 60 Тесла, като интервалите между пиковете са престанали да се подчиняват на обичайната периодичност 1/B.Изчисленията показали, че причината се крие в конкуренцията между два квантови ефекта. Циклотронното движение определя орбиталната енергия на електроните, а ефектът на Зееман променя енергията в зависимост от ориентацията на спина спрямо магнитното поле. Силното спин-орбитално взаимодействие в ZrTe5 свързва спина с движението на квазичастиците, поради което двата приноса не могат да се разглеждат независимо един от друг.
При увеличаване на магнитното поле някои нива на Ландау започват да се изкривяват, да променят посоката си на движение по енергийната скала и да пресичат отново нивото на Ферми. Физиците наричат подобно поведение „обратни нива на Ландау“. Повторните пресичания отново променят електрическото съпротивление и създават осцилации, дори след преминаване на обичайната квантова граница. Авторите проверили и друго възможно обяснение, свързано със сложни колективни взаимодействия на множество електрони. Моделирането показало, че за възпроизвеждане на експерименталната картина не са необходими многочастични ефекти. Достатъчен е 3D модел на Дирак със силно спин-орбитално взаимодействие и раздвояване на Зееман. Резултатът свързва аномалното поведение преди всичко с топологичната електронна структура на материала.
Моделът помогнал да се обяснят и различията между предишните експерименти със ZrTe5. Пробите с по-висока концентрация на носители демонстрирали предимно обичайни осцилации с периодичност 1/B. При ниска концентрация на носители зеемановата и циклотронната енергия ставали съпоставими още в достъпните лабораторни полета, нивата на Ландау започвали да се връщат към енергията на Ферми, а характерът на осцилациите се променял. Сигналите, които по-рано се тълкували като различни физически режими, в този случай можело да се окажат проявления на една и съща диракова електронна структура.
Експериментът разкрил още една аномалия. Амплитудата на колебанията при нагряване се променяла по начин, различен от предсказанията на стандартния модел на Лифшиц-Косевич. Изследователите свързали това отклонение с интерференцията на два приноса от състояния с различен спин и различни ефективни маси. Измерванията на ъгловата зависимост на магнитното съпротивление допълнително посочили триизмерна елипсоидална повърхност на Ферми при сравнително слаби полета.
Работата не опровергава квантовата механика и не означава нарушаване на фундаменталните закони. Експериментът показва границите на приложимост на обичайното описание на квантовите осцилации и предлага по-широка моделна рамка за диракови топологични материали в екстремни магнитни полета. Разбирането на подобен режим е важно за изучаването на топологичните фази, спиновите състояния и електронния транспорт, а в перспектива може да помогне при разработването на квантови материали и високочувствителни устройства.