近年来狄拉克半金属受到广泛的关注。狄拉克半金属具有和石墨烯相似的能带结构，为研究者进行基础物理研究提供了良好的平台，同时它展现出高磁阻，高迁移率等优良电学性质，具有广阔的应用前景。一直以来，解释如电子、声子等基本粒子的质量存在一直都是基础物理研究的关注热点。最近大量的理论研究指出，多体相互作用能诱导狄拉克半金属发生奇特相变，同时使原本无质量的狄拉克电子产生质量，此前尚未有实验报道验证这一现象。
人工微结构科学与技术协同创新中心成员，复旦大学物理系修发贤课题组通过研究狄拉克半金属ZrTe5在强磁场下的输运性质，首次观测到一种新奇的磁场诱导的自旋密度波态，这一发现对狄拉克半金属的研究提供了新的角度和思路。相关研究论文“Zeeman splitting and dynamically mass generation in Dirac semimetal ZrTe5”于8月12日在《自然·通讯》杂志上(Nature Communications 7, 12516 (2016) )上发表。
图a, ZrTe5的TEM表征图；图b, ZrTe5的准二维性质；图c, 体量子霍尔效应；图d,量子极限条件下的输运行为-其物理机制为高场下自旋密度波态的形成。
在本工作中，修发贤课题组利用脉冲强磁场研究了狄拉克半金属ZrTe5的输运性质。研究发现ZrTe5具有很好的准二维特性，表现出体态的量子霍尔效应。同时发现ZrTe5在较小的磁场时，即可观察到塞曼自旋劈裂现象，并且满足材料的量子极限条件，使得多体相互作用的效应随着磁场增大逐渐凸显。在60T脉冲强磁场的实验条件下，观察到样品电阻值的反常突变，表明发生磁场诱导相变。而这一相变是由于体系进入量子极限以后多体相互作用增强，从而引发的自旋密度波相变。与此同时，在强磁场的作用下，ZrTe5中原本无质量的狄拉克电子获得质量，使得电阻突然变大。这一发现表明了狄拉克半金属是一个研究拓扑态关联效应的理想平台，为进一步研究狄拉克电子性质提供了新线索，也为高能物理研究提供一些启发。
复旦大学物理系博士生刘彦闻、袁翔为该论文的第一、第二作者。修发贤教授为通讯作者。该工作得到国家青年千人计划、优秀青年基金以及面上项目的支持。