拓扑狄拉克半金属BaAl4中热电量子振荡与塞曼分裂的发现及其非平庸拓扑特性研究

本刊推荐：研究团队针对三维狄拉克半金属BaAl4的非平庸拓扑特性表征难题，通过高精度热电功率（TEP）量子振荡测量，首次发现六个振荡频率（96-1490 T）并测得π贝里相位，成功解析塞曼分裂效应并测得高达10的朗德g因子。该研究不仅证实了BaAl4的三维狄拉克锥结构，更为拓扑材料能带调控提供了新型探测范式。

　　

在凝聚态物理前沿领域，三维拓扑狄拉克半金属因其独特的能带结构和电子输运特性成为研究热点。这类材料中存在受对称性保护的狄拉克锥结构，载流子呈现无质量狄拉克费米子行为，并伴随非平庸的贝里相位（Berry phase），可衍生出反常霍尔效应、高量子迁移率等新奇物理现象。然而，传统电输运测量对拓扑特性的探测灵敏度有限，特别是对多频量子振荡和塞曼分裂的解析能力不足，制约了对材料拓扑本质的深入认知。

针对这一挑战，马里兰大学量子材料中心的P.R. Mandal等研究者在《Materials Today Quantum》发表论文，采用高灵敏度热电功率（Thermoelectric Power, TEP）量子振荡技术，对拓扑狄拉克节线半金属BaAl₄单晶开展了系统研究。该工作不仅成功解析出六个量子振荡频率，还首次通过TEP观测到显著的塞曼分裂效应，为理解该体系的非平庸拓扑特性提供了关键实验证据。

研究团队通过高温自熔剂法生长BaAl₄单晶样品，采用双加热器-双热电偶稳态法测量热电功率，利用磷青铜引线消除背景干扰，并在高真空环境下实现纳米级电压信号采集。通过傅里叶变换分析振荡频谱，结合朗道能级指数拟合和温度依赖幅值分析，提取了贝里相位和有效质量等关键参数。

3. Results and discussion

零场热电功率测量显示BaAl₄在20-140 K区间同时存在扩散和声子拖曳贡献，符合S=AT+BT³关系。磁场依赖的TEP曲线在3 K下呈现出清晰的量子振荡，傅里叶变换识别出F_α1（96 T）至F_α6（1490 T）六个频率，与角分辨光电子能谱（ARPES）测得的空穴口袋结构一致。通过振荡幅值的温度依赖性拟合，获得各频带有效质量（0.21-0.56 m₀），其中F_α2和F_α4频带具有轻质量特性（0.23 m₀和0.21 m₀）。

研究首次在F_α4频带（275 T）观察到低于8 T的塞曼分裂阈值，分裂间距随磁场增强而增大。通过ΔE=(gm^*)/(4m₀)公式计算得到朗德g因子为10，其角依赖特性表明分裂主要源于轨道相互作用而非纯塞曼效应。朗道能级指数分析显示F_α2和F_α4频带分别具有3/8和7/8的相位偏移，换算后对应1/8和5/8的贝里相位，符合三维狄拉克锥的非平庸拓扑特征。

该研究通过热电量子振荡技术成功揭示了BaAl₄中多个狄拉克锥的拓扑特性，测得的π贝里相位和巨大g因子为理解其强自旋轨道耦合效应提供了关键证据。研究成果不仅证实了BaAl₄作为拓扑节线半金属的电子结构特征，更展示了TEP测量在解析复杂能带拓扑中的独特优势，为新型拓扑材料的能带工程和量子器件设计提供了新思路。