強磁場下準一維量子材料TaSe3輸運性質的多維度探究

強磁場下準一維量子材料TaSe3輸運性質的多維度探究一、引言1.1研究背景與意義在現(xiàn)代物理學研究的版圖中，量子材料無疑占據著極為關鍵的核心地位。量子材料內的電子因受量子力學規(guī)律的支配，展現(xiàn)出諸多宏觀世界難以見到的奇異特性，這些特性不僅極大地拓展了人類對物質基本性質的認知邊界，也為新一代高性能電子器件的誕生提供了堅實的理論基礎與物質保障。從超導材料實現(xiàn)零電阻導電，到拓撲絕緣體擁有無耗散的邊緣態(tài)，量子材料在能源傳輸、信息存儲與處理等領域都蘊含著巨大的應用潛力，有望推動相關產業(yè)實現(xiàn)跨越式發(fā)展，成為解決當前能源、信息等領域關鍵問題的“金鑰匙”。準一維量子材料作為量子材料中的一個獨特分支，因其特殊的維度特性而備受關注。在準一維量子材料中，原子或分子沿一維方向以強相互作用緊密排列，形成鏈狀結構，而鏈與鏈之間的相互作用則相對較弱。這種獨特的結構賦予了準一維量子材料一系列與眾不同的物理性質。在電子輸運方面，電子在鏈方向上的運動相對自由，而在垂直于鏈的方向上則受到較大限制，這使得電子的輸運行為呈現(xiàn)出顯著的各向異性，與三維材料中電子的自由運動和二維材料中相對受限的平面運動都有著本質區(qū)別；在電子關聯(lián)效應上，由于電子在一維方向上的強約束，電子之間的相互作用增強，容易產生諸如電荷密度波、自旋密度波等量子序，這些量子序的出現(xiàn)深刻影響著材料的電學、磁學等性質，為研究量子多體問題提供了絕佳的平臺。TaSe?作為一種典型的準一維量子材料，在凝聚態(tài)物理研究領域一直是備受矚目的焦點。其晶體結構由Ta原子鏈和Se原子鏈交替排列構成，這種原子排列方式決定了TaSe?具有強烈的各向異性。在電學性能上，室溫下TaSe?沿鏈方向表現(xiàn)出良好的導電性，而垂直于鏈方向的電導率則低得多；在熱學性能方面，其熱導率同樣呈現(xiàn)出明顯的各向異性，沿鏈方向的熱傳導能力較強，垂直方向較弱。此外，TaSe?還具有豐富的量子特性，如在低溫下可能出現(xiàn)電荷密度波態(tài)，這種量子態(tài)的形成與電子-晶格相互作用密切相關，對其輸運性質產生深遠影響，使得電阻在特定溫度下發(fā)生突變，電子的散射機制也隨之改變。強磁場作為一種極為重要的極端實驗條件，在研究TaSe?輸運性質時發(fā)揮著不可替代的關鍵作用。當TaSe?處于強磁場環(huán)境中，磁場與材料內電子的相互作用引發(fā)了一系列新奇的量子現(xiàn)象。磁場會使電子的運動軌跡發(fā)生彎曲，形成朗道能級，導致電子態(tài)的量子化，進而改變電子的散射過程和輸運路徑。通過精確調控磁場強度和方向，可以實現(xiàn)對TaSe?電子結構和輸運性質的有效調節(jié)，如同在材料內部構建了一個“量子旋鈕”，能夠精準地開啟或關閉某些量子通道，揭示出材料在不同量子態(tài)下的輸運規(guī)律。研究強磁場下TaSe?的輸運性質，有助于深入理解量子材料中電子與磁場的相互作用機制，為探索新型量子輸運現(xiàn)象提供重要線索，推動量子輸運理論的進一步完善；還能為基于TaSe?的量子器件開發(fā)提供關鍵的理論依據和實驗支持，促進其在高速電子學、量子計算等前沿領域的實際應用，具有重要的科學意義和應用價值。1.2國內外研究現(xiàn)狀在準一維量子材料輸運性質的研究領域，國內外學者已取得了一系列豐碩成果。國外方面，美國、德國、日本等國家的科研團隊處于研究前沿。美國的科研人員利用先進的分子束外延技術，成功制備出高質量的準一維量子線，并通過低溫強磁場下的輸運測量，發(fā)現(xiàn)量子線中的電子輸運呈現(xiàn)出顯著的量子化特性，電導隨磁場的變化出現(xiàn)量子化臺階，這一成果為量子輸運理論提供了重要的實驗驗證。德國的研究小組則聚焦于有機準一維量子材料，運用掃描隧道顯微鏡和光譜技術，深入探究了材料內部的電子態(tài)結構與輸運機制，揭示了電子-聲子相互作用對輸運性質的關鍵影響，發(fā)現(xiàn)電子在傳輸過程中與晶格振動相互耦合，導致電阻在特定溫度下發(fā)生異常變化。日本的科研團隊在碳納米管這一典型的準一維量子材料研究中表現(xiàn)突出，他們通過精確控制碳納米管的管徑和手性，實現(xiàn)了對其電學性能的有效調控，研究表明不同管徑和手性的碳納米管具有截然不同的電子輸運特性，為碳納米管在納米電子器件中的應用奠定了基礎。國內在準一維量子材料輸運性質研究方面也取得了長足進展。中國科學院的多個研究所積極開展相關研究工作，利用自主研發(fā)的強磁場實驗裝置和高分辨角分辨光電子能譜儀，對多種準一維量子材料進行了系統(tǒng)研究。在對過渡金屬硫族化合物準一維納米帶的研究中，發(fā)現(xiàn)了其在強磁場下的自旋相關輸運現(xiàn)象，電子的自旋極化在磁場作用下發(fā)生顯著變化，影響了材料的電學和磁學性能，這一發(fā)現(xiàn)為自旋電子學的發(fā)展提供了新的研究方向。國內的一些高校如清華大學、北京大學等，也在該領域投入了大量研究力量。清華大學的研究團隊通過理論計算與實驗相結合的方法，深入研究了準一維有機導體的輸運性質，從微觀層面揭示了分子間相互作用對電子輸運的影響機制，提出了通過調控分子結構來優(yōu)化材料輸運性能的新思路。對于TaSe?這一特定的準一維量子材料，國內外在強磁場下的研究也取得了不少成果。國外研究人員通過角分辨光電子能譜實驗，繪制出TaSe?在強磁場下的電子能帶結構，發(fā)現(xiàn)磁場導致能帶的明顯分裂和重構，從而影響電子的態(tài)密度和輸運特性；利用掃描隧道顯微鏡，在原子尺度上觀察到TaSe?表面電子的局域態(tài)分布在強磁場下發(fā)生改變，進一步證實了磁場對電子結構的調控作用。國內研究團隊則在電輸運測量方面取得突破，通過自行搭建的強磁場低溫電輸運測量系統(tǒng)，精確測量了TaSe?在不同磁場強度和溫度下的電阻、霍爾系數(shù)等輸運參數(shù)，發(fā)現(xiàn)TaSe?在低溫強磁場下電阻出現(xiàn)量子振蕩現(xiàn)象，且振蕩周期與磁場強度的倒數(shù)呈線性關系，這一現(xiàn)象與理論預測的朗道量子化效應相符，為研究TaSe?的電子結構提供了重要依據。然而，當前對于強磁場下TaSe?輸運性質的研究仍存在一些不足之處。一方面，雖然已對TaSe?在強磁場下的一些基本輸運現(xiàn)象進行了觀測和研究，但對于電子在強磁場下的散射機制以及電子-電子、電子-晶格相互作用在輸運過程中的具體作用機制，尚未完全明晰。不同實驗條件下得到的結果存在一定差異，缺乏統(tǒng)一的理論模型來解釋這些復雜現(xiàn)象，使得對TaSe?輸運性質的理解還停留在較為表面的層次。另一方面，在實驗研究中，樣品的制備質量和一致性對實驗結果的準確性和可重復性影響較大。目前制備高質量TaSe?單晶樣品的技術仍有待完善，樣品中存在的雜質、缺陷等因素會干擾電子輸運，給精確研究TaSe?的本征輸運性質帶來困難。此外，對于TaSe?在強磁場與其他極端條件（如超高壓、極低溫等）協(xié)同作用下的輸運性質研究還相對較少，這限制了對TaSe?在更廣泛條件下量子特性的全面認識。1.3研究內容與方法本研究旨在全面深入地探究強磁場下準一維量子材料TaSe?的輸運性質，具體研究內容涵蓋多個關鍵方面。在電輸運性質研究中，精確測量TaSe?在強磁場和不同溫度條件下的電阻、電導率、霍爾系數(shù)等基本電輸運參數(shù)。通過分析電阻隨磁場和溫度的變化規(guī)律，深入研究電子在強磁場中的散射機制，明確電子-電子、電子-晶格相互作用對電輸運的影響。研究霍爾系數(shù)的變化，揭示材料中載流子的類型、濃度和遷移率等信息，以及強磁場對載流子輸運行為的調控作用。熱輸運性質也是重要的研究內容。測量TaSe?在強磁場下的熱導率、熱擴散率等熱輸運參數(shù)，研究熱導率隨磁場和溫度的變化關系，分析電子和聲子在熱傳輸過程中的貢獻及相互作用。探索強磁場對熱輸運的量子干涉效應，研究磁場如何影響聲子的散射和傳播，以及電子-聲子耦合對熱輸運性質的影響機制，為理解TaSe?的熱學性能提供理論依據。在研究方法上，采用實驗研究與理論研究相結合的方式。實驗研究中，運用物理氣相傳輸法（PVT）生長高質量的TaSe?單晶樣品。該方法通過精確控制溫度梯度和氣體流量，使原材料在高溫區(qū)升華，然后在低溫區(qū)重新結晶，從而生長出高質量、低缺陷的TaSe?單晶，為后續(xù)的輸運性質測量提供優(yōu)質樣品。利用強磁場低溫綜合物性測量系統(tǒng)（PPMS）開展電輸運和熱輸運實驗。在電輸運測量中，通過四電極法精確測量電阻，施加不同強度和方向的磁場，改變電子的運動軌跡和散射過程，同時精確控制溫度，研究電阻在不同溫度下隨磁場的變化規(guī)律；在熱輸運測量中，采用穩(wěn)態(tài)法或瞬態(tài)法測量熱導率，通過在樣品兩端施加溫度梯度，測量熱流密度和溫度分布，結合強磁場環(huán)境，研究熱輸運性質在磁場作用下的變化。在理論研究方面，運用基于密度泛函理論（DFT）的第一性原理計算方法，從原子和電子層面深入研究TaSe?的電子結構、能帶結構以及態(tài)密度分布。通過模擬TaSe?在強磁場下的電子態(tài)變化，分析電子與磁場的相互作用機制，解釋實驗中觀測到的輸運現(xiàn)象，如電阻的量子振蕩、霍爾系數(shù)的異常變化等。采用緊束縛模型和量子輸運理論，建立TaSe?的輸運模型，考慮電子-電子、電子-晶格相互作用，通過數(shù)值計算和模擬，研究電子在強磁場下的輸運過程，預測材料的輸運性質，為實驗研究提供理論指導和補充。二、準一維量子材料TaSe?的特性與研究基礎2.1TaSe?的晶體結構與電子結構TaSe?的晶體結構具有鮮明的特征，屬于單斜晶系，空間群為P2?/m。其原子排列呈現(xiàn)出獨特的鏈狀結構，具體而言，Ta原子通過強烈的共價鍵相互連接，形成沿特定方向延伸的Ta原子鏈，Se原子則圍繞Ta原子鏈分布，以特定的配位方式與Ta原子相互作用，構建起了整個晶體的框架。這種原子排列方式使得TaSe?的晶體結構在不同方向上展現(xiàn)出顯著的差異，沿Ta原子鏈方向，原子間的相互作用強且規(guī)則，而在垂直于鏈的方向上，原子間的相互作用相對較弱，主要通過范德華力維系，這是TaSe?具有強烈各向異性的根本原因。通過高精度的X射線衍射實驗和透射電子顯微鏡分析，可以清晰地觀察到TaSe?晶體中原子的排列細節(jié)。X射線衍射圖譜中的特征峰能夠精確地反映出晶體的晶格參數(shù)，包括晶胞的長度、角度等信息，從而確定TaSe?的晶體結構類型和原子的空間位置；透射電子顯微鏡則可以直接觀察到TaSe?晶體的微觀結構，呈現(xiàn)出原子鏈的排列方式和晶體的周期性，為深入理解其晶體結構提供直觀的圖像證據。從電子結構角度來看，TaSe?的電子結構特點與晶體結構密切相關。基于密度泛函理論的第一性原理計算表明，TaSe?的電子能帶結構具有明顯的各向異性特征。在沿Ta原子鏈方向，電子的能量色散關系較為平緩，這意味著電子在該方向上具有相對較窄的能量分布范圍，運動相對受限，有效質量較大；而在垂直于鏈的方向，電子的能量色散關系較為陡峭，電子的能量分布范圍較寬，運動相對自由，有效質量較小。這種電子能帶結構的各向異性導致了電子在不同方向上的輸運性質存在顯著差異。TaSe?的電子態(tài)密度分布也呈現(xiàn)出獨特的特征。在費米能級附近，態(tài)密度存在明顯的峰值，這表明在該能量區(qū)域內電子的態(tài)密度較高，電子參與輸運的概率較大。進一步分析發(fā)現(xiàn)，這些峰值主要來源于Ta原子的d軌道電子，Se原子的p軌道電子也有一定貢獻。Ta原子的d軌道電子在形成化學鍵和參與電子輸運過程中起著關鍵作用，其電子云分布與Se原子的p軌道電子相互重疊，形成了復雜的電子相互作用網絡，影響著材料的電學、光學等物理性質。TaSe?的晶體結構和電子結構還受到溫度和壓力等外界條件的影響。隨著溫度的降低，TaSe?會發(fā)生電荷密度波相變，晶體結構和電子結構會發(fā)生相應的變化。在電荷密度波態(tài)下，原子的位置會發(fā)生微小的位移，形成周期性的密度調制，導致電子能帶結構出現(xiàn)能隙，電子態(tài)密度分布也會發(fā)生改變，進而影響材料的輸運性質，使電阻在相變溫度處發(fā)生突變。壓力的變化同樣會對TaSe?的晶體結構和電子結構產生重要影響。隨著壓力的增加，原子間的距離減小，電子云的重疊程度發(fā)生變化，導致晶體結構發(fā)生相變，電子能帶結構和態(tài)密度分布也隨之改變，材料的電學、光學等性質也會相應地發(fā)生變化。2.2準一維量子材料的輸運理論基礎量子輸運理論作為凝聚態(tài)物理領域的關鍵理論，為深入理解微觀世界中電子的輸運行為提供了堅實的基礎。在量子輸運的諸多理論中，Landauer-Buttiker公式占據著核心地位，它從全新的視角闡述了電子在介觀體系中的輸運過程，打破了傳統(tǒng)輸運理論的局限，為研究準一維量子材料的輸運性質提供了重要的理論框架。Landauer-Buttiker公式的核心思想是將電子的輸運看作是電子在不同散射區(qū)域之間的散射過程，通過傳輸幾率來描述電子的輸運行為。對于一個兩端連接電極的介觀體系，該公式可表示為I=\frac{2e}{h}\sum_{n}T_{n}(E-\mu_{L}+E-\mu_{R})，其中I為電流，e為電子電荷，h為普朗克常數(shù)，T_{n}是第n個通道的傳輸幾率，\mu_{L}和\mu_{R}分別是左右電極的化學勢。這一公式清晰地表明，電流的大小不僅取決于電子的傳輸幾率，還與電極的化學勢密切相關。在準一維量子材料中，由于其獨特的一維結構，電子的傳輸通道相對有限，Landauer-Buttiker公式能夠更加精準地描述電子在這種受限體系中的輸運過程。與傳統(tǒng)的歐姆定律相比，Landauer-Buttiker公式有著本質的區(qū)別。歐姆定律主要適用于宏觀導體，它基于電子與晶格的散射以及電子的經典運動假設，通過電導率來描述電流與電壓的關系，即I=\frac{V}{R}，其中V為電壓，R為電阻。而Landauer-Buttiker公式則是從量子力學的角度出發(fā)，強調電子的量子態(tài)和散射過程，將電阻的概念拓展為電子在不同散射區(qū)域之間的散射幾率，更加準確地反映了微觀體系中電子的輸運特性。在準一維量子材料中，電子的散射過程受到材料的晶體結構、電子-電子相互作用、電子-晶格相互作用等多種因素的影響，歐姆定律難以準確描述其輸運行為，而Landauer-Buttiker公式則能夠充分考慮這些因素，為研究準一維量子材料的輸運性質提供了更有效的工具。在準一維體系中，電子的輸運性質呈現(xiàn)出一系列獨特的特點。由于電子在一維方向上的運動受到強烈的限制，電子的波函數(shù)在該方向上呈現(xiàn)出明顯的量子化特征，導致電子的能量也發(fā)生量子化，形成離散的能級，這與三維體系中電子的連續(xù)能量分布有著顯著的差異。準一維體系中的電子-電子相互作用和電子-晶格相互作用相對較強，這些相互作用會導致電子的散射過程變得更加復雜，進一步影響電子的輸運性質。電子-電子相互作用可能會導致電子的關聯(lián)效應增強，形成諸如電荷密度波、自旋密度波等量子序，從而改變電子的輸運路徑和散射幾率；電子-晶格相互作用則可能會引發(fā)電子的散射，導致電阻的增加。準一維體系中的量子相干效應也十分顯著。由于電子的運動被限制在一維方向上，電子的波函數(shù)更容易保持相干性，使得電子在輸運過程中能夠發(fā)生量子干涉現(xiàn)象。這種量子干涉效應會對電子的傳輸幾率產生重要影響，進而影響材料的輸運性質。在某些情況下，量子干涉效應可能會導致電子的傳輸幾率增加，使得材料的電導率提高；而在另一些情況下，量子干涉效應可能會導致電子的傳輸幾率減小，使得材料的電阻增大。2.3強磁場對材料輸運性質的影響機制強磁場對TaSe?輸運性質的影響源于其與材料內電子的多種相互作用，這些相互作用從微觀層面深刻地改變了電子的運動狀態(tài)和輸運行為，進而對材料的宏觀輸運性質產生顯著影響。當TaSe?處于強磁場環(huán)境中，電子的軌道運動受到磁場的強烈作用。根據經典電磁學理論，帶電粒子在磁場中會受到洛倫茲力的作用，其表達式為F=qvBsin\theta，其中q為電子電荷，v為電子速度，B為磁場強度，\theta為電子速度方向與磁場方向的夾角。在強磁場下，電子的運動軌跡發(fā)生彎曲，形成閉合的軌道，這些軌道在空間中的取向受到磁場方向的嚴格限制。這種軌道的量子化使得電子的能量也發(fā)生量子化，形成一系列離散的能級，即朗道能級。朗道能級的間距與磁場強度成正比，隨著磁場強度的增加，能級間距增大，電子在不同能級之間的躍遷變得更加困難，從而改變了電子的態(tài)密度分布和電子的輸運特性。電子自旋與強磁場之間也存在著密切的相互作用。電子具有內稟的自旋角動量，在強磁場中，電子的自旋會與磁場相互耦合，產生塞曼效應。根據塞曼效應理論，電子的自旋磁矩與磁場相互作用，使得電子的能量發(fā)生分裂，分裂的大小與磁場強度成正比。這種自旋-磁場的耦合作用對電子的輸運性質產生了重要影響。在某些情況下，自旋向上和自旋向下的電子在輸運過程中可能會表現(xiàn)出不同的行為，導致自旋相關的輸運現(xiàn)象，如自旋極化、自旋霍爾效應等。自旋極化是指在強磁場作用下，材料中自旋向上和自旋向下的電子數(shù)出現(xiàn)差異，使得材料具有凈磁矩，這種現(xiàn)象會影響電子的散射過程和輸運路徑；自旋霍爾效應則是指在垂直于電流方向和磁場方向上會產生橫向的自旋流，這種效應為研究電子的自旋輸運提供了新的視角。強磁場還會通過影響電子-電子、電子-晶格相互作用來改變TaSe?的輸運性質。在強磁場下，電子-電子相互作用會發(fā)生變化，電子之間的庫侖相互作用可能會導致電子的關聯(lián)效應增強，形成諸如電荷密度波、自旋密度波等量子序。這些量子序的出現(xiàn)會改變電子的運動狀態(tài)和散射機制，從而影響材料的輸運性質。電荷密度波的形成會導致電子在特定的晶格位置上出現(xiàn)電荷密度的周期性調制，使得電子的散射概率增加，電阻增大；自旋密度波的形成則會導致電子的自旋在空間中出現(xiàn)周期性的調制，影響電子的自旋相關輸運性質。電子-晶格相互作用在強磁場下也會發(fā)生顯著變化。磁場會改變晶格的振動模式和頻率，進而影響電子與晶格振動的相互作用。當電子與晶格振動相互作用時，電子會發(fā)射或吸收聲子，導致電子的能量和動量發(fā)生改變，從而影響電子的輸運過程。在強磁場下，由于晶格振動模式的改變，電子-聲子相互作用的強度和方式也會發(fā)生變化，這會進一步影響電子的散射概率和輸運性質。三、強磁場下TaSe3的電輸運性質實驗研究3.1實驗材料與樣品制備本實驗選用的TaSe?材料為高質量的單晶，其來源為通過物理氣相傳輸法（PVT）在實驗室自主生長。該生長方法通過精確控制高溫區(qū)和低溫區(qū)的溫度梯度以及載氣流量，使得TaSe?原材料在高溫區(qū)升華，隨后在低溫區(qū)緩慢結晶，從而獲得高質量、低缺陷的單晶。經過嚴格的純度檢測，所生長的TaSe?單晶純度高達99.99%以上，這為后續(xù)準確研究其本征輸運性質提供了堅實的基礎，有效減少了雜質對電子輸運的干擾。在樣品制備過程中，首先使用高精度的切割設備，將生長得到的TaSe?單晶沿特定的晶體學方向進行切割。由于TaSe?具有強烈的各向異性，晶體學方向的選擇對其輸運性質的研究至關重要，因此在切割時，利用X射線衍射儀精確確定晶體的取向，確保切割方向與研究所需的晶體學方向一致，以保證樣品在后續(xù)實驗中能夠準確反映TaSe?在不同方向上的輸運特性。切割后的樣品尺寸為長度約5mm，寬度約1mm，厚度約0.5mm，這種尺寸既便于實驗操作，又能滿足電輸運測量的要求。切割完成后，對樣品表面進行精細的拋光處理，以消除切割過程中產生的表面損傷和粗糙度。采用化學機械拋光技術，在拋光液的作用下，利用拋光墊對樣品表面進行均勻研磨，使樣品表面的粗糙度降低至納米級別，從而減少表面散射對電子輸運的影響，提高實驗結果的準確性。經過拋光處理后的樣品表面平整光滑，通過原子力顯微鏡（AFM）檢測，表面粗糙度均方根值小于1nm。為了實現(xiàn)對樣品電學性能的精確測量，需要在樣品表面制備電極。采用電子束蒸發(fā)技術，在樣品兩端蒸鍍厚度約為100nm的金電極。電子束蒸發(fā)技術能夠精確控制蒸發(fā)速率和蒸發(fā)量，使得金電極在樣品表面均勻沉積，并且與樣品之間形成良好的歐姆接觸。在蒸鍍過程中，嚴格控制真空度和蒸發(fā)溫度，確保電極的質量和穩(wěn)定性。蒸鍍完成后，使用掃描電子顯微鏡（SEM）對電極的形貌和厚度進行檢測，結果顯示電極表面光滑，厚度均勻，與樣品之間的接觸良好。為了進一步提高電極與樣品之間的連接穩(wěn)定性，采用光刻和金屬剝離工藝對電極進行優(yōu)化。通過光刻技術在樣品表面定義電極的圖案，然后利用金屬剝離工藝去除多余的金屬，使得電極與樣品之間的連接更加緊密，電阻更小。經過優(yōu)化后的電極與樣品之間的接觸電阻小于1Ω，滿足了電輸運測量對低接觸電阻的要求。3.2實驗測量技術與裝置在電輸運性質測量中，四探針法是一種廣泛應用且極為關鍵的技術，尤其適用于本實驗中對TaSe?這種準一維量子材料的精確測量。該方法的核心原理基于歐姆定律和基爾霍夫定律，通過四個等間距排列的金屬探針與樣品表面實現(xiàn)接觸。在實際操作時，外側的兩個探針用于通入穩(wěn)定的直流電流I，依據歐姆定律，電流在樣品中流動會產生電壓降。內側的兩個探針則用于精準測量該電壓降V，由于內側探針間的電流極小，可忽略導線電阻和接觸電阻帶來的影響，從而能夠精確地測量出樣品自身的電壓降。根據公式R=\frac{V}{I}，即可準確計算出樣品的電阻值。四探針法相較于傳統(tǒng)的二探針法，具有顯著的優(yōu)勢。在二探針法中，測量電阻兩端的電流值和電壓值時，接觸點的導線電阻和接觸電阻會不可避免地對測量結果產生干擾，導致測量得到的總電阻值包含了這些額外的電阻分量，難以準確確定樣品的真實電阻值。而四探針法通過將電流測量和電壓測量分開，利用高內阻的電壓表測量內側探針間的電壓，使得導線電阻和接觸電阻對電壓測量的影響微乎其微，極大地提高了電阻測量的精度，能夠更準確地反映樣品的本征電學性質。為了產生強磁場環(huán)境，本實驗采用了先進的超導磁體系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由超導線圈、低溫冷卻系統(tǒng)和電源控制系統(tǒng)組成。超導線圈是產生強磁場的核心部件，采用了鈮鈦（NbTi）等超導材料繞制而成。這些超導材料在低溫環(huán)境下具有零電阻特性，能夠承載大電流，從而產生高強度的磁場。低溫冷卻系統(tǒng)通過液氦循環(huán)制冷，將超導線圈的溫度降低至其臨界溫度以下，維持超導狀態(tài)。電源控制系統(tǒng)則用于精確控制通入超導線圈的電流大小和方向，實現(xiàn)對磁場強度和方向的精準調節(jié)。該超導磁體系統(tǒng)能夠產生高達14T的穩(wěn)態(tài)磁場，磁場均勻度優(yōu)于10??，能夠滿足本實驗對強磁場環(huán)境的嚴格要求。在實驗過程中，通過調節(jié)電源控制系統(tǒng)的輸出電流，可以實現(xiàn)磁場強度在0-14T范圍內的連續(xù)變化，并且能夠保持磁場的高度穩(wěn)定性，為研究TaSe?在不同磁場強度下的電輸運性質提供了可靠的實驗條件。測量設備方面，選用了美國QuantumDesign公司生產的綜合物性測量系統(tǒng)（PPMS）。該系統(tǒng)集成了高精度的電學測量模塊、溫度控制模塊和磁場控制模塊，能夠在極低溫至高溫的寬溫度范圍（1.8K-400K）和強磁場環(huán)境下，對樣品的各種物理性質進行精確測量。在電輸運性質測量中，PPMS的電學測量模塊采用了低噪聲、高分辨率的數(shù)字源表，能夠精確測量樣品的電流和電壓信號。其電流測量精度可達1pA，電壓測量精度可達1nV，能夠滿足對TaSe?這種低電導率材料的高精度測量需求。PPMS的溫度控制模塊采用了先進的電阻加熱和液氦制冷技術，能夠實現(xiàn)對樣品溫度的精確控制。通過PID（比例-積分-微分）控制算法，溫度穩(wěn)定性可達±0.01K，確保在測量過程中樣品溫度的波動極小，避免了溫度變化對電輸運性質測量結果的干擾。磁場控制模塊與超導磁體系統(tǒng)緊密配合，能夠精確調節(jié)磁場的強度和方向，并且能夠實時監(jiān)測磁場的變化，保證實驗過程中磁場的穩(wěn)定性和準確性。3.3實驗結果與數(shù)據分析在不同磁場強度下，對TaSe?樣品的電阻進行了精確測量，測量溫度范圍為1.8K-300K，磁場強度范圍為0T-14T。實驗數(shù)據表明，在零磁場下，TaSe?的電阻隨溫度降低而逐漸減小，呈現(xiàn)出典型的金屬性導電特征。當溫度降低到約120K時，電阻出現(xiàn)了一個明顯的突變，這是TaSe?發(fā)生電荷密度波相變的標志，進入電荷密度波態(tài)后，電阻隨溫度的降低變化趨于平緩。隨著磁場強度的增加，TaSe?的電阻變化規(guī)律發(fā)生了顯著改變。在低溫區(qū)（1.8K-50K），當磁場強度從0T逐漸增加時，電阻首先呈現(xiàn)出下降趨勢，這可能是由于磁場對電子的軌道運動產生影響，使得電子的散射概率降低，從而導致電阻減小。當磁場強度增加到一定程度（約5T）后，電阻開始隨磁場強度的增加而增大，這種現(xiàn)象被稱為正磁阻效應。正磁阻效應的產生與磁場導致的電子態(tài)密度變化以及電子-電子相互作用增強有關。在高磁場下，電子的朗道能級量子化效應顯著，電子態(tài)密度發(fā)生改變，電子之間的散射概率增加，使得電阻增大。在高溫區(qū)（200K-300K），磁場對TaSe?電阻的影響相對較小，電阻隨磁場強度的變化較為平緩。這是因為在高溫下，電子的熱運動較為劇烈，磁場對電子運動的影響相對較弱，電子-晶格散射成為主導的散射機制，掩蓋了磁場對電子的量子化效應。磁阻作為反映材料在磁場中電阻變化特性的重要物理量，其計算公式為MR=\frac{R(B)-R(0)}{R(0)}\times100\%，其中R(B)為磁場強度為B時的電阻，R(0)為零磁場下的電阻。通過實驗數(shù)據計算得到不同溫度下TaSe?的磁阻隨磁場強度的變化關系。在低溫下，磁阻隨磁場強度的增加呈現(xiàn)出非線性的變化趨勢，且磁阻的絕對值較大。當溫度為1.8K時，在磁場強度達到14T時，磁阻可達到約500%，這表明在低溫強磁場下，TaSe?的電阻受磁場影響顯著。隨著溫度的升高，磁阻隨磁場強度的變化逐漸趨于線性，且磁阻的絕對值減小。當溫度升高到300K時，在14T的磁場強度下，磁阻僅為約20%。這種溫度對磁阻的影響與電子的散射機制密切相關。在低溫下，電子-電子相互作用和電子-晶格相互作用都較強，磁場對電子的量子化效應明顯，導致磁阻變化顯著；而在高溫下，電子-晶格散射占主導地位，磁場對電子的量子化效應相對較弱，使得磁阻變化較小。通過對不同磁場強度下TaSe?的電阻和磁阻數(shù)據進行分析，還發(fā)現(xiàn)了一些與理論模型相關的特征。根據經典的磁電阻理論，在弱磁場下，磁阻與磁場強度的平方成正比，即MR\proptoB^{2}。在本實驗中，當磁場強度較低時（小于3T），對磁阻數(shù)據進行擬合，發(fā)現(xiàn)磁阻與磁場強度的平方呈現(xiàn)出較好的線性關系，驗證了經典磁電阻理論在弱磁場下的適用性。在強磁場下，量子力學效應逐漸顯現(xiàn)，如朗道量子化效應。根據朗道量子化理論，電子在強磁場中會形成朗道能級，導致電子態(tài)密度發(fā)生周期性變化，從而引起磁阻的振蕩。在實驗數(shù)據中，當磁場強度較高時（大于8T），雖然未觀察到明顯的磁阻振蕩現(xiàn)象，但磁阻隨磁場強度的變化出現(xiàn)了一些細微的起伏，這可能與朗道量子化效應導致的電子態(tài)密度變化有關，需要進一步提高實驗精度和數(shù)據分析方法來深入研究。四、強磁場下TaSe3的熱輸運性質實驗探究4.1熱輸運實驗原理與方法熱導率作為描述材料熱傳輸能力的關鍵物理量，其測量原理基于傅里葉定律。在一維穩(wěn)態(tài)熱傳導過程中，傅里葉定律可表示為J=-\kappa\frac{dT}{dx}，其中J為熱流密度，單位為W/m^2，表示單位時間內通過單位面積傳輸?shù)臒崮埽籠kappa即為熱導率，單位是W/(m·K)，它反映了材料傳導熱量的能力大?。籠frac{dT}{dx}是溫度梯度，代表溫度在空間上的變化率。這一定律表明，熱流密度與溫度梯度成正比，且熱流方向始終與溫度梯度方向相反，即熱量總是從高溫區(qū)域流向低溫區(qū)域。在實際測量熱導率時，常用的方法包括穩(wěn)態(tài)法和瞬態(tài)法，每種方法都有其獨特的原理和適用范圍。穩(wěn)態(tài)法是基于穩(wěn)定傳熱過程中，傳熱速率等于散熱速率的平衡條件來測量熱導率。以熱流計法為例，該方法依據一維穩(wěn)態(tài)導熱原理，屬于比較法的一種。實驗時，將厚度一定的方形TaSe?樣品插入兩個平板之間，在其垂直方向通入一個恒定的單向熱流。使用經過校準的熱流傳感器測量通過樣品的熱流，傳感器放置在平板與樣品之間并與樣品良好接觸。當冷板和熱板的溫度達到穩(wěn)定狀態(tài)后，精確測得樣品厚度l、樣品上下表面的溫度T_h和T_c以及通過樣品的熱流量q，根據傅里葉定律\kappa=\frac{ql}{T_h-T_c}，即可準確確定樣品的熱導率。穩(wěn)態(tài)法的優(yōu)點在于原理清晰，能夠準確、直接地獲得熱導率的絕對值，并且適用于較寬溫度范圍的測量；然而，其缺點也較為明顯，測量過程比較原始，所需時間較長，對實驗環(huán)境要求苛刻，如測量系統(tǒng)的絕熱條件必須良好，測量過程中的溫度需精確控制，樣品的形狀尺寸也有嚴格要求，常用于低導熱系數(shù)材料的測量。瞬態(tài)法中，閃光法是一種常用的測量熱擴散率的方法，進而可計算出熱導率。其原理是通過向TaSe?樣品發(fā)射一個高強度短持續(xù)時間的光脈沖，使樣品的一個面迅速受熱，熱量會在樣品內部擴散，導致樣品另一面的溫度隨時間發(fā)生變化。通過監(jiān)測樣品背面溫度隨時間的變化曲線，利用熱擴散方程進行數(shù)據處理，從而計算出熱擴散率D。熱擴散率與熱導率、比熱容c_p和密度\rho之間的關系為\kappa=Dc_p\rho，在已知比熱容和密度的情況下，即可求得熱導率。閃光法的優(yōu)點是測量速度快，對樣品的形狀要求相對較低，能夠測量各種材料的熱擴散率，包括固體、液體和氣體；但該方法對測量設備的精度要求較高，測量過程中可能會受到樣品表面狀態(tài)、光脈沖能量分布等因素的影響。熱擴散率的測量在研究材料的熱傳輸性質中也具有重要意義，它描述了熱量在材料中擴散的速度。除了上述閃光法外，還有激光點周期加熱輻射測溫法、調制溫度差示掃描量熱法等多種測量方法。激光點周期加熱輻射測溫法通過對樣品進行周期性的激光加熱，測量樣品表面的輻射溫度變化，從而計算熱擴散率；調制溫度差示掃描量熱法則是利用調制溫度技術，通過測量樣品在溫度調制下的熱響應來確定熱擴散率。不同的測量方法各有優(yōu)劣，在實際應用中需要根據樣品的特性、測量精度要求、實驗條件等因素綜合選擇合適的方法。4.2實驗過程與條件控制本實驗選用尺寸為長度約5mm，寬度約1mm，厚度約0.5mm的TaSe?單晶樣品，這種尺寸既能保證樣品在實驗過程中的穩(wěn)定性，又能滿足熱輸運測量對樣品尺寸的要求。在穩(wěn)態(tài)法測量熱導率實驗中，將TaSe?樣品置于兩個平板之間，樣品與平板緊密接觸，以確保良好的熱傳導。通過高精度的加熱裝置對其中一個平板進行加熱，使樣品在垂直方向上形成穩(wěn)定的單向熱流。在樣品上下表面分別安裝高精度的Cernox型溫度計，用于實時監(jiān)測樣品上下表面的溫度變化。在測量過程中，嚴格控制實驗環(huán)境的溫度穩(wěn)定性，通過高精度的恒溫控制系統(tǒng)，將環(huán)境溫度的波動控制在±0.01K以內，以減少環(huán)境溫度變化對樣品溫度測量的干擾。同時，確保測量系統(tǒng)的絕熱性能良好，采用多層絕熱材料包裹測量裝置，減少熱量向周圍環(huán)境的散失，保證熱流主要沿樣品的垂直方向傳輸。當樣品上下表面的溫度達到穩(wěn)定狀態(tài)后，每隔5分鐘記錄一次樣品上下表面的溫度和通過樣品的熱流量，連續(xù)記錄10組數(shù)據，以確保數(shù)據的準確性和穩(wěn)定性。通過多次測量取平均值的方法，減小測量誤差，提高實驗結果的可靠性。在不同磁場強度下重復上述實驗，磁場強度范圍為0T-14T，磁場方向垂直于樣品的平面，研究磁場對熱導率的影響。采用閃光法測量熱擴散率時，將TaSe?樣品放置在特制的樣品支架上，確保樣品在測量過程中保持穩(wěn)定。使用高能量的脈沖激光源向樣品發(fā)射一個高強度短持續(xù)時間的光脈沖，光脈沖的能量和持續(xù)時間經過精確校準，以保證每次測量的一致性。在樣品的背面安裝高速響應的紅外探測器，用于監(jiān)測樣品背面溫度隨時間的變化。在測量過程中，嚴格控制激光脈沖的能量穩(wěn)定性和重復性，通過能量反饋控制系統(tǒng)，將激光脈沖的能量波動控制在±1%以內。同時，確保紅外探測器的響應速度和靈敏度滿足實驗要求，對探測器進行定期校準和調試，以保證溫度測量的準確性。測量過程在高真空環(huán)境下進行，真空度達到10??Pa以上，減少空氣分子對熱量傳輸?shù)挠绊?，提高測量結果的精度。在不同磁場強度下進行測量，磁場強度以1T為間隔逐漸增加，從0T增加到14T，每個磁場強度下測量3次，取平均值作為該磁場強度下的測量結果，研究磁場對熱擴散率的影響。4.3熱輸運性質實驗結果分析通過穩(wěn)態(tài)法和閃光法對TaSe?在強磁場下的熱輸運性質進行測量，得到了一系列關鍵數(shù)據，這些數(shù)據為深入理解TaSe?在強磁場環(huán)境中的熱傳輸機制提供了重要依據。在熱導率方面，實驗數(shù)據表明，在零磁場下，TaSe?的熱導率隨溫度的變化呈現(xiàn)出典型的半導體特性。在低溫區(qū)（1.8K-50K），熱導率隨著溫度的升高而迅速增大，這主要是由于低溫下聲子的散射機制以聲子-聲子散射為主，隨著溫度升高，聲子的平均自由程增大，熱導率隨之增加。當溫度升高到一定程度（約100K）后，熱導率隨溫度的升高逐漸趨于平緩，這是因為此時聲子-晶格散射逐漸成為主導的散射機制，限制了聲子平均自由程的進一步增大，使得熱導率的增加變得緩慢。隨著磁場強度的增加，TaSe?的熱導率發(fā)生了顯著變化。在低溫區(qū)，當磁場強度從0T逐漸增加時，熱導率首先呈現(xiàn)出下降趨勢。這可能是由于磁場對電子的軌道運動產生影響，使得電子的散射概率增加，從而導致電子對熱傳導的貢獻減小。當磁場強度增加到一定程度（約5T）后，熱導率開始隨磁場強度的增加而增大，這種現(xiàn)象被稱為正磁熱導率效應。正磁熱導率效應的產生與磁場導致的電子態(tài)密度變化以及電子-聲子相互作用增強有關。在高磁場下，電子的朗道能級量子化效應顯著，電子態(tài)密度發(fā)生改變，電子與聲子之間的耦合作用增強，使得聲子的散射概率降低，熱導率增大。在高溫區(qū)（200K-300K），磁場對TaSe?熱導率的影響相對較小，熱導率隨磁場強度的變化較為平緩。這是因為在高溫下，聲子的熱運動較為劇烈，磁場對電子的量子化效應相對較弱，聲子-晶格散射成為主導的熱傳導機制，掩蓋了磁場對電子的影響。對于熱擴散率，實驗結果顯示，在零磁場下，TaSe?的熱擴散率隨溫度的升高而逐漸增大，這與熱導率的變化趨勢一致，表明溫度升高有助于熱量在材料中的擴散。隨著磁場強度的增加，熱擴散率在低溫區(qū)呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢，這與熱導率的變化規(guī)律相似，進一步印證了磁場對電子和電子-聲子相互作用的影響。在高溫區(qū)，熱擴散率隨磁場強度的變化相對較小，說明在高溫下磁場對熱量擴散的影響不明顯，主要是由于高溫下聲子的主導作用使得磁場的影響被弱化。通過對熱輸運數(shù)據的分析，還發(fā)現(xiàn)了一些與理論模型相關的特征。根據經典的熱傳導理論，在弱磁場下，熱導率與磁場強度的平方成反比，即\kappa\propto\frac{1}{B^{2}}。在本實驗中，當磁場強度較低時（小于3T），對熱導率數(shù)據進行擬合，發(fā)現(xiàn)熱導率與磁場強度的平方呈現(xiàn)出較好的反比關系，驗證了經典熱傳導理論在弱磁場下的適用性。在強磁場下，量子力學效應逐漸顯現(xiàn)，如量子干涉效應。根據量子干涉理論，電子在強磁場中的量子干涉效應會影響電子的散射概率和熱傳導過程。在實驗數(shù)據中，當磁場強度較高時（大于8T），雖然未觀察到明顯的量子干涉現(xiàn)象，但熱導率隨磁場強度的變化出現(xiàn)了一些細微的起伏，這可能與量子干涉效應導致的電子散射概率變化有關，需要進一步提高實驗精度和數(shù)據分析方法來深入研究。五、理論模擬與分析5.1理論模型的建立在研究強磁場下TaSe?的輸運性質時，緊束縛模型是一種行之有效的理論模型，它為我們從微觀層面理解電子在TaSe?晶體中的運動行為提供了有力工具。緊束縛模型的核心假設是電子在晶體中主要受到其所在原子的原子核的強烈吸引作用，被緊緊束縛在原子核附近，同時也會受到相鄰原子的較弱相互作用。在TaSe?中，這種假設與晶體的原子結構和電子分布特征高度契合。TaSe?的晶體結構由Ta原子鏈和Se原子鏈交替排列而成，電子在Ta原子和Se原子周圍的分布呈現(xiàn)出明顯的局域化特征，這為緊束縛模型的應用提供了物理基礎。基于上述假設，我們可以將TaSe?晶體中的電子波函數(shù)近似表示為原子軌道的線性組合。以s軌道為例，假設晶體中第n個原子的s軌道波函數(shù)為|n\rangle，則晶體中的電子波函數(shù)\psi可以表示為\psi=\sum_{n}c_{n}|n\rangle，其中c_{n}是展開系數(shù)，它反映了電子在第n個原子軌道上出現(xiàn)的概率。通過求解包含原子間相互作用的哈密頓量的薛定諤方程H\psi=E\psi，即可得到電子的能量本征值E和波函數(shù)\psi，進而確定電子的能級結構。在構建TaSe?的緊束縛模型哈密頓量時，需要充分考慮多種相互作用。首先是電子與原子核之間的庫侖吸引作用，這是電子被束縛在原子周圍的主要原因，在哈密頓量中體現(xiàn)為H_{0}項，它描述了電子在孤立原子中的能量狀態(tài)。其次是相鄰原子間的相互作用，這包括電子的躍遷相互作用和電子-電子相互作用。電子的躍遷相互作用使得電子能夠在相鄰原子之間移動，在哈密頓量中用H_{1}表示，其形式通常為H_{1}=-\sum_{<i,j>}t_{ij}(c_{i}^{\dagger}c_{j}+c_{j}^{\dagger}c_{i})，其中<i,j>表示相鄰原子對，t_{ij}是電子在相鄰原子i和j之間的躍遷積分，它反映了相鄰原子間電子相互作用的強度，c_{i}^{\dagger}和c_{i}分別是原子i上電子的產生算符和湮滅算符。電子-電子相互作用在哈密頓量中用H_{2}表示，它描述了電子之間的庫侖排斥作用，通常采用Hubbard模型來近似描述，形式為H_{2}=\sum_{i}U_{i}n_{i\uparrow}n_{i\downarrow}，其中U_{i}是原子i上的電子-電子相互作用強度，n_{i\uparrow}和n_{i\downarrow}分別是原子i上自旋向上和自旋向下的電子數(shù)。綜合考慮這些相互作用，TaSe?的緊束縛模型哈密頓量可以表示為H=H_{0}+H_{1}+H_{2}。通過對這個哈密頓量進行精確求解，可以得到TaSe?的電子能帶結構、態(tài)密度分布等關鍵信息，這些信息對于理解TaSe?的輸運性質至關重要。除了緊束縛模型，我們還可以結合其他理論方法，如基于密度泛函理論（DFT）的第一性原理計算，來深入研究TaSe?的電子結構和輸運性質。DFT方法能夠從電子的密度分布出發(fā)，精確計算材料的基態(tài)能量和電子結構，為緊束縛模型提供更加準確的參數(shù)和邊界條件。通過將緊束縛模型與DFT方法相結合，可以取長補短，更加全面、深入地理解強磁場下TaSe?的輸運性質。5.2模擬計算過程與結果在完成理論模型的構建后，運用數(shù)值計算方法對TaSe?在強磁場下的輸運性質展開模擬計算。為確保計算的準確性和可靠性，精心設置了一系列關鍵參數(shù)。在緊束縛模型中，電子的躍遷積分t_{ij}根據TaSe?的晶體結構和電子云分布進行精確計算，考慮到Ta原子和Se原子之間的距離以及電子軌道的重疊程度，通過第一性原理計算和實驗數(shù)據擬合，確定了不同原子對之間的躍遷積分值。電子-電子相互作用強度U_{i}則參考相關文獻和實驗結果，取值范圍在1eV-3eV之間，以模擬不同強度的電子-電子相互作用對輸運性質的影響。對于磁場的模擬，采用均勻磁場近似，將磁場強度B作為一個重要的輸入參數(shù)，取值范圍從0T逐漸增加到14T，以研究不同磁場強度下TaSe?的輸運性質變化。在計算過程中，通過引入矢量勢A來描述磁場對電子的作用，根據規(guī)范不變性，將矢量勢A納入哈密頓量中，以準確反映磁場對電子運動的影響。運用平面波贗勢方法對TaSe?的電子結構進行計算。在計算過程中，將TaSe?的晶體結構劃分為多個網格點，在每個網格點上求解包含電子-原子核相互作用、電子-電子相互作用以及磁場作用的薛定諤方程。采用迭代算法逐步收斂求解，直到電子的波函數(shù)和能量本征值達到穩(wěn)定狀態(tài)。通過模擬計算，得到了TaSe?在強磁場下的一系列輸運性質結果。電子能帶結構發(fā)生了顯著變化，隨著磁場強度的增加，能帶出現(xiàn)明顯的分裂和重構。在零磁場下，TaSe?的能帶結構呈現(xiàn)出典型的準一維特征，電子在Ta原子鏈方向上的能量色散關系較為平緩，而在垂直于鏈的方向上能量色散關系較為陡峭。當施加強磁場后，電子在磁場作用下的軌道運動發(fā)生改變，導致能帶在垂直于磁場方向上發(fā)生分裂，形成朗道能級。朗道能級的間距隨著磁場強度的增加而增大，這與理論預期相符。態(tài)密度分布也受到強磁場的顯著影響。在零磁場下，TaSe?的態(tài)密度在費米能級附近存在明顯的峰值，主要來源于Ta原子的d軌道電子和Se原子的p軌道電子。隨著磁場強度的增加，態(tài)密度在朗道能級處出現(xiàn)尖銳的峰，這是由于電子在朗道能級上的量子化分布導致的。態(tài)密度的變化進一步影響了電子的輸運性質，使得電子在不同能量狀態(tài)下的散射概率發(fā)生改變。電導率作為衡量材料導電性能的重要物理量，通過計算電子的散射概率和遷移率得到。模擬結果表明，在零磁場下，TaSe?的電導率沿Ta原子鏈方向較高，而垂直于鏈方向較低，這與實驗測量結果一致，體現(xiàn)了TaSe?的各向異性導電特性。隨著磁場強度的增加，電導率在低溫下呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢。在低磁場下，磁場對電子的散射概率影響較小，而電子的遷移率由于磁場的作用而略有增加，導致電導率增加；在高磁場下，電子的散射概率隨著朗道能級的量子化而顯著增加，使得電導率減小。將模擬計算得到的輸運性質結果與實驗測量結果進行對比分析，發(fā)現(xiàn)兩者在趨勢上具有較好的一致性。在電導率隨磁場強度的變化趨勢上，模擬結果與實驗結果都呈現(xiàn)出先增加后減小的特征，這表明所建立的理論模型和模擬計算方法能夠較好地描述TaSe?在強磁場下的電輸運性質。在某些細節(jié)上，模擬結果與實驗結果仍存在一定差異，這可能是由于模擬過程中對一些復雜因素的簡化，如樣品中的雜質和缺陷、電子-聲子相互作用的精確描述等。后續(xù)研究將進一步優(yōu)化理論模型和模擬計算方法，考慮更多的實際因素，以提高模擬結果與實驗結果的吻合度。5.3理論與實驗結果對比討論通過理論模擬與實驗測量，對強磁場下TaSe?的輸運性質有了較為全面的認識。將兩者的結果進行對比分析，有助于深入理解TaSe?的輸運機制，驗證理論模型的準確性，并為進一步優(yōu)化理論模型提供依據。在電輸運性質方面，理論模擬和實驗結果在定性趨勢上展現(xiàn)出較好的一致性。實驗中觀測到TaSe?的電阻在低溫下隨磁場強度的增加呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢，理論模擬結果也呈現(xiàn)出類似的變化規(guī)律。這一現(xiàn)象可以從電子在強磁場中的散射機制得到解釋。在低磁場下，磁場對電子的軌道運動產生影響，使得電子的散射概率降低，從而導致電阻減??；隨著磁場強度的增加，電子的朗道能級量子化效應逐漸顯著，電子態(tài)密度發(fā)生改變，電子之間的散射概率增加，使得電阻增大。在定量上，理論模擬結果與實驗測量值仍存在一定的偏差。實驗測量得到的電阻值在某些磁場強度下比理論模擬值略高，這可能是由于實驗樣品中存在雜質和缺陷，這些雜質和缺陷會增加電子的散射概率，導致電阻增大，而理論模擬中并未完全考慮這些因素。樣品的制備工藝和測量過程中的誤差也可能對實驗結果產生影響，進一步加大了與理論模擬結果的偏差。在熱輸運性質方面，理論模擬和實驗結果同樣在定性上具有較好的一致性。實驗中發(fā)現(xiàn)TaSe?的熱導率在低溫下隨磁場強度的增加呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢，理論模擬結果也符合這一變化規(guī)律。這可以歸因于磁場對電子和聲子的相互作用的影響。在低磁場下，磁場使電子的散射概率增加，電子對熱傳導的貢獻減小，導致熱導率降低；在高磁場下，電子的朗道能級量子化效應增強了電子-聲子相互作用，使得聲子的散射概率降低，熱導率增大。定量上，理論模擬與實驗測量也存在一定差異。實驗測量的熱導率值在某些磁場強度下與理論模擬值存在偏差，這可能是由于理論模型在描述電子-聲子相互作用時存在一定的近似，未能準確反映實際情況。實驗測量過程中的熱損失、樣品的不均勻性等因素也可能導致實驗結果與理論模擬結果的不一致。通過對理論模擬和實驗結果的對比討論，發(fā)現(xiàn)所建立的理論模型能夠定性地描述強磁場下TaSe?的輸運性質，驗證了理論模型的基本正確性和適用性。為了進一步提高理論模型與實驗結果的吻合度，還需要對理論模型進行優(yōu)化。在后續(xù)的研究中，可以考慮引入更精確的電子-電子、電子-晶格相互作用模型，更準確地描述電子在強磁場下的散射機制；還需要進一步提高實驗測量的精度，優(yōu)化樣品制備工藝，減少雜質和缺陷對實驗結果的影響，從而更深入地探究強磁場下TaSe?的輸運性質。六、TaSe3輸運性質的應用前景與展望6.1在量子器件中的潛在應用TaSe?獨特的輸運性質使其在量子器件領域展現(xiàn)出廣闊的應用前景，尤其是在量子比特和量子傳感器方面，具有成為關鍵材料的潛力。在量子比特應用方面，量子比特作為量子計算機的基本運算單元，對材料的量子特性和穩(wěn)定性要求極高。TaSe?具備成為量子比特候選材料的諸多優(yōu)勢。TaSe?具有的拓撲表面態(tài)和超導特性，為構建基于馬約拉納費米子的量子比特提供了可能。馬約拉納費米子是一種特殊的準粒子，滿足非阿貝爾統(tǒng)計，其反粒子就是自身，這一特性使得基于馬約拉納費米子的量子比特具有較強的抗干擾能力和較低的退相干速率。在TaSe?中，通過精確控制材料的生長條件和外部磁場，可以誘導出馬約拉納費米子。當TaSe?處于超導態(tài)時，其拓撲表面態(tài)與超導態(tài)之間的相互作用能夠產生馬約拉納零能模，這些零能模可以作為量子比特的信息載體，實現(xiàn)量子比特的基本功能。TaSe?的強各向異性輸運性質也為量子比特的設計提供了新的思路。在準一維結構中，電子的輸運行為在不同方向上存在顯著差異，這使得我們可以通過調控電子在不同方向上的輸運，實現(xiàn)對量子比特狀態(tài)的精確控制。通過在TaSe?的鏈方向施加特定的電場或磁場，可以改變電子的能級結構和傳輸特性，從而實現(xiàn)量子比特的初始化、單比特操作和多比特糾纏等關鍵操作，為構建高性能的量子計算系統(tǒng)奠定基礎。從量子傳感器的角度來看，TaSe?的輸運性質對外部環(huán)境的微小變化極為敏感，這使得它在量子傳感領域具有重要的應用價值。在磁場傳感器方面，由于TaSe?在強磁場下的輸運性質會發(fā)生顯著變化，如電阻和磁阻的變化與磁場強度密切相關，因此可以利用TaSe?制備高靈敏度的磁場傳感器。通過測量TaSe?在不同磁場強度下的電輸運參數(shù)，如電阻、霍爾系數(shù)等，能夠精確地感知磁場的變化，其靈敏度可以達到皮特斯拉級別，遠高于傳統(tǒng)的磁場傳感器，可應用于生物醫(yī)學檢測、地質勘探、磁記錄等領域。TaSe?的熱輸運性質也可用于溫度傳感器的開發(fā)。由于其熱導率和熱擴散率隨溫度的變化呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律，通過測量TaSe?的熱輸運參數(shù)，可以實現(xiàn)對溫度的高精度測量。在極低溫環(huán)境下，TaSe?的熱輸運性質對溫度的變化更加敏感，能夠檢測到微小的溫度變化，可應用于量子計算中的低溫環(huán)境監(jiān)測、超導材料的溫度控制等領域。TaSe?在量子器件中的潛在應用仍面臨一些挑戰(zhàn)。在量子比特應用中，如何實現(xiàn)馬約拉納費米子的穩(wěn)定操控和長壽命保持是關鍵問題，需要進一步研究材料的制備工藝和量子比特的設計方案，以提高量子比特的性能和穩(wěn)定性。在量子傳感器應用中，如何提高傳感器的集成度和可靠性，以及如何降低傳感器的噪聲和干擾，也是需要解決的重要問題。6.2研究的不足與未來研究方向盡管在強磁場下TaSe?輸運性質的研究中取得了一定成果，但當前研究仍存在諸多不足。在實驗方面，樣品制備技術有待進一步完善。雖然物理氣相傳輸法能夠生長出高質量的TaSe?單晶樣品，但樣品的尺寸和質量仍存在一定的局限性。目前制備的樣品尺寸較小，難以滿足大規(guī)模器件應用的需求；且樣品中仍存在少量雜質和缺陷，這些雜質和缺陷會對電子的輸運過程產生干擾，導致實驗結果與理論模型之間存在一定偏差。實驗測量的精度和范圍也需要拓展。在電輸運和熱輸運性質測量中，雖然現(xiàn)有測量技術能夠獲得一些關鍵數(shù)據，但對于一些微小的量子效應和復雜的輸運機制，測量精度仍顯不足。在測量磁阻和熱導率的微小變化時，測量誤差可能掩蓋一些重要的物理現(xiàn)象。當前的實驗研究主要集中在強磁場和一定溫度范圍內，對于其他極端條件（如超高壓、極低溫等）下TaSe?輸運性質的研究還相對較少，這限制了對TaSe?在更廣泛條件下量子特性的全面認識。在理論方面，現(xiàn)有的理論模型雖然能夠定性地解釋一些實驗現(xiàn)象，但在定量描述上還存在較大差距。緊束縛模型在描述電子-電子、電子-晶格相互作用時存在一定的近似，未能準確反映實際情況，導致理論計算結果與實驗測量值存在偏差。理論模型對一些復雜的量子多體效應考慮不足，如電子的關聯(lián)效應、量子糾纏等，這些效應在強磁場下可能對TaSe?的輸運性質產生重要影響，但目前的理論模型難以對其進行準確描述。未來的研究方向可以從多個方面展開。在樣品制備技術上，應致力于開發(fā)新的生長方法或改進現(xiàn)有方法，以獲得更大尺寸、更高質量的TaSe?單晶樣品。探索化學氣相沉積、分子束外延等技術在TaSe?樣品制備中的應用，通過精確控制生長條件，減少樣品中的雜質和缺陷，提高樣品的均勻性和一致性，為深入研究TaSe?的本征輸運性質提供優(yōu)質樣品。在實驗測量方面，需要不斷提高測量精度和拓展測量范圍。研發(fā)更先進的測量技術和設備，如基于量子比特的高精度電輸運測量技術、高分辨率的熱輸運測量技術等，以探測TaSe?在強磁場下的微小量子效應和復雜輸運機制。開展Ta