眾多周知，金屬是電的良導體，同時也是熱的良導體。這是因為在電子彈性散射的理想情況下，電導率和熱導率互成比例，二者滿足Wiedemann-Franz (WF) 定律。該定律所描述的熱和電的輸運關係是朗道費米液體的基本性質之一，但是其在拓撲半金屬體系中的適用性仍然不明確。拓撲半金屬的電輸運測量，尤其是電導率的量子振盪，是理解該類材料拓撲電子物性的關鍵手段。相比之下，很少有研究者會嘗試測量金屬或半金屬體系的熱導率量子振盪。其中一個重要原因是，基於電導率的測量結果和WF定律，可以簡單地估計出熱導率量子振盪。其通常是非常微弱並難以測量。因此，熱導率的量子振盪測量一般被認為既困難也沒有太大物理意義和必要性。
最近，《物理評論X》（Phys. Rev. X）報道了中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心極端條件實驗室博士項俊森、研究員孫培傑和超導實驗室研究員陳根富團隊，香港科技大學教授戴希，普林斯頓大學博士宋志達等人關於外爾半金屬TaAs的巨大熱導率量子振盪的合作研究結果。實驗表明，TaAs在低溫下具有和電導率量子振盪相同頻率的、清晰的熱導率量子振盪。這說明二者在本質上都起源於磁場下電子態所形成的朗道能級。令人驚訝的是，熱導率的相對量子振盪幅度比電導率還要大。在磁場和熱流平行的情況下，熱導率量子振盪可以達到WF定律估算值的2個數量級，並且相位和WF定律的預測相反。此外，研究團隊還發現平行磁場下的熱導率量子振盪背底隨磁場強度增加而逐步上升。以上奇特的熱輸運行為既不符合傳統的電子熱導率行為，更不符合聲子熱導率的行為。振盪幅值隨溫度的降低首先增加，出現一個峰值以後開始降低的行為表明其起源更像是一種低溫下全新的低能玻色子激發。
以該實驗結果為基礎，戴希和宋志達提出了外爾費米子的手性零聲概念（Chiral zero sound），參考論文（Hear the sound of Weyl fermions, Phys. Rev. X 9, 021053 (2019)）。這種全新的聲波是一種在帶間弛豫時間足夠長時，由相反手性外爾谷間的電荷密度振動產生的聲波模式。因為和磁場平行和反平行的谷間電流互相抵消，手性零聲振動不伴隨實空間的電荷流動。這一點類似於氦3等中性費米子體系中的零聲集體激發。很顯然，作為一種聲波，外爾費米子的零聲可以導熱，但不導電，會極大地破壞WF定律。其聲速隨磁場增加而增加，但是反比於費米麵的態密度，因此磁場下可以產生由朗道能級引起的巨大的零聲聲速量子振盪，實驗上表現為熱導率的量子振盪。以上工作表明，在拓撲半金屬體系中，熱導率同樣可以成為重要的探測量子輸運的手段，況且和電導率反應不同的物理。考慮到外爾費米子的零聲對磁場強度和磁場方向的敏感，這一特殊熱導機制在未來基於拓撲半金屬的功能材料設計方面有望發揮獨特的作用。
以色列Weizmann研究所的博士顏丙海受邀在美國物理學會physics 發表了題為The sound of Weyl fermions 文章，對該實驗工作和戴希等人的理論工作進行了詳細的評述，評述鏈接為 https://physics.aps.org/articles/v12/67。
上述研究工作得到國家自然科學基金委（11474332，11474015，11774018）、科技部（2015CB921303， 2017YFA0303103）以及中科院（XDB07020200）的支持。參與該研究的還包括物理所研究員楊義峰、王建濤，德國馬普所教授Frank Steglich以及北京航空航天大學教授陳子瑜和李偉。相關研究結果發表於Phys. Rev. X 9, 031036 (2019)。
論文信息：Junsen Xiang, Sile Hu, Zhida Song, Meng Lv, Jiahao Zhang, Lingxiao Zhao, Wei Li, Ziyu Chen, Shuai Zhang, Jian-Tao Wang, Yi-feng Yang, Xi Dai, Frank Steglich, Genfu Chen, and Peijie Sun, Giant Magnetic Quantum Oscillations in the Thermal Conductivity of TaAs: Indications of Chiral Zero Sound, Phys. Rev. X 9, 031036 (2019)。
圖2：基於手性零聲的熱傳導示意圖 (Binghai Yan, 10.1103/Physics.12.67)。
圖3：磁場平行和磁場垂直時的熱導率對比。巨大的熱導率量子振盪主要發生在平行磁場時，其量子振盪可以半定量地用手性零聲模型來擬合。
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