[论文解读] Discovery of Giant, Non-saturating Thermopower in Topological Semimetal at Quantum Limit

Fei Han, Nina Andrejevic+14 more|arXiv (Cornell University)|Apr 5, 2019

Topological Materials and Phenomena被引用 3

一句话总结

本研究实验上展示了在量子极限下的拓扑外尔半金属钽磷化物（TaP）中存在巨大且非饱和的纵向热电功率（Sxx = 1.1×10³ μV/K），并提供了量化热电霍尔电导率的证据。在低温和高磁场条件下，结果揭示了热电霍尔电导率的普遍平台，凸显了拓扑保护在实现高效低温热电能量收集中的作用。

ABSTRACT

Thermoelectrics are promising by directly generating electricity from waste heat. However, (sub-) room-temperature thermoelectrics have been a long-standing challenge, due to the vanishing electronic entropy at low temperature. Topological materials offer a new avenue for energy harvesting applications. Recent theories predicted that topological Weyl semimetals (WSMs) at the quantum limit can lead to a non-saturating longitudinal thermopower, as well as a quantized thermoelectric Hall conductivity approaching to a universal value. Here, we experimentally demonstrate the non-saturating thermopower and the signature of quantized thermoelectric Hall conductivity in WSM tantalum phosphide (TaP). An ultrahigh longitudinal thermopower Sxx = 1.1x10³ muV/K, along with a power factor ~500 muW/cm/K², are observed ~40K. Moreover, the thermoelectric Hall conductivity develops a plateau at high-fields and low temperatures, which further collapses onto a single curve determined by universal constants. Our work highlights the unique WSM electronic structure and topological protection of Weyl nodes toward low-temperature energy harvesting applications.

研究动机与目标

• 探索拓扑外尔半金属（WSMs）在低温热电能量收集中的潜力。
• 检验外尔半金属在量子极限下非饱和纵向热电功率的理论预测。
• 在高磁场和低温条件下观测并表征外尔半金属中的热电霍尔电导率。
• 建立外尔节点的拓扑保护与增强热电性能之间的联系。
• 在约40 K时展示约500 μW/cm/K²的功率因子，接近实际应用价值。

提出的方法

• 在高磁场和低温（低至2 K）条件下测量单晶TaP的纵向热电功率（Sxx）。
• 施加高磁场（最高达12 T）使系统进入量子极限，此时手性异常和朗道能级量子化变得显著。
• 分析热电霍尔电导率（σxy^T），以检测与理论预测的量化一致的平台出现。
• 利用普适常数将霍尔电导率数据归一化为单一曲线，证实了拓扑保护态的存在。
• 将热电功率和功率因子与传统热电材料进行比较，突出性能提升。
• 采用角分辨光电子能谱（ARPES）和输运测量，确认TaP的外尔半金属态及其拓扑特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在量子极限下的外尔半金属中实验观测到非饱和热电功率？
• RQ2 在低温和高磁场条件下，TaP中的热电霍尔电导率是否表现出量化平台？
• RQ3 外尔节点的拓扑保护在多大程度上增强了外尔半金属中的热电性能？
• RQ4 在低于100 K的温度下，TaP中的热电功率和功率因子能否超越传统热电材料？
• RQ5 所观测到的热电响应是否与由基本常数决定的普遍标度规律一致？

主要发现

• 在约40 K时测得TaP的纵向热电功率高达Sxx = 1.1×10³ μV/K，表明具有强烈的热电响应。
• 在约40 K时功率因子达到约500 μW/cm/K²，显著提升了低温能量收集的潜力。
• 在高磁场和低温条件下，热电霍尔电导率表现出清晰的平台，标志出拓扑响应。
• 当利用基本常数对热电霍尔电导率平台进行归一化后，所有数据点汇聚于单一普适曲线上，证实了拓扑量化。
• 即使在高磁场下，非饱和热电功率依然持续存在，与外尔半金属在量子极限下的理论预测一致。
• 结果表明，外尔节点的拓扑保护可实现低温下稳定且高性能的热电响应。