Un problema fondamentale dell'elettrodinamica quantistica è il destino del nucleo atomico superpesante, che si propone di collassare quando il numero atomico supera un certo valore. Però, questo intrigante fenomeno di collasso supercritico rimane sfuggente negli esperimenti. L'invarianza di scala discreta (DSI) è un'anomalia di scala con violazione della simmetria di scala continua. L'intrigante log-periodicità è la firma caratteristica di DSI, che esiste in rottura, processi di crescita, turbolenza, finanza, e così via. La funzione DSI è di grande interesse nella fisica quantistica, mentre può essere raramente realizzato sperimentalmente nei sistemi quantistici. L'esempio precedentemente noto con DSI nella fisica quantistica si concentra solo sullo stato del trimero Efimov.

Un nuovo tipo di oscillazioni di magnetoresistenza quantistica è stato osservato nel materiale topologico ZrTe ₅ (La scienza avanza 4, eaau5096 (2018)), costituendo il terzo tipo distintivo noto di periodicità nei quasi 90 anni alla ricerca di oscillazioni quantistiche nei solidi. Inoltre, la scoperta delle esotiche oscillazioni periodiche logB può virtualmente rappresentare l'invarianza di scala discreta associata agli stati quasi legati formati attraverso il collasso atomico supercritico nei materiali Dirac. Tale caratteristica peculiare dovrebbe essere universale nei materiali Dirac con attrazione Coulomb. Così, è auspicabile estendere le indagini ad altri sistemi topologici, e, soprattutto, ad altri osservabili fisici. In un nuovo lavoro pubblicato su Rassegna scientifica nazionale , Collaborazione di ricerca con sede a Pechino guidata dal Prof. Jian Wang, Il Prof. Haiwen Liu e il Prof. Jiyan Dai hanno rivelato l'universalità delle magneto-oscillazioni quantistiche log-periodiche e del fenomeno DSI nei materiali Dirac dai risultati del magneto-trasporto di HfTe ₅ cristalli.

Gli scienziati hanno misurato la resistenza magnetica e di Hall dell'HfTe ₅ cristalli a campi magnetici pulsati fino a 58 T e campi magnetici statici fino a 25 T. La segnalazione di oscillazioni quantistiche periodiche logB di DSI è osservata nella magnetoresistenza longitudinale (MR) (sottofigura (a)), indipendente dalle piccole differenze della qualità del campione. La dipendenza dalla temperatura delle oscillazioni logB-periodiche in HfTe5 è mostrata nella sottofigura (b). Si può vedere che le caratteristiche log-periodiche diventano invisibili quando la temperatura viene aumentata fino a superare gli 80 K. Inoltre, per la prima volta, il segnale DSI con notevole periodicità logB viene scoperto nelle tracce di Hall dei cristalli di HfTe5. La scoperta indica un effetto complessivo della funzione DSI sulle proprietà di trasporto del sistema. I risultati secondari derivati ​​dei dati di Hall sono mostrati nella sottofigura (c). Inoltre, i risultati MR e Hall sullo stesso campione sono mostrati nella sottofigura (d). Si trova che nelle oscillazioni la fase dei dati di Hall è leggermente superiore a MR, ricorda quello nell'effetto Hall quantistico bidimensionale.

Le oscillazioni logperiodiche nei materiali Dirac sono state attribuite al fenomeno del collasso atomico supercritico e ai concomitanti stati quasi legati caratterizzati da un'invarianza di scala discreta nei materiali Dirac. La quasi-particella nei materiali di Dirac obbedisce all'equazione relativistica, e la velocità di Fermi è molto più piccola della velocità della luce nel vuoto. Così, il valore della costante di struttura fine nei materiali Dirac è molto maggiore di quello nel vuoto, che fornisce una piattaforma promettente per studiare il fenomeno del collasso atomico supercritico. A causa del grande valore della costante di struttura fine in questi sistemi allo stato solido, l'attrazione di Coulomb dà luogo al collasso atomico supercritico in analogia al fenomeno proposto di esistere negli atomi superpesanti. Inoltre, l'equazione di Dirac senza massa con attrazione di Coulomb conserva l'invarianza di scala discreta, in contrasto con la rottura della simmetria a scala discreta nell'equazione di Dirac massiccia degli atomi superpesanti.

Nel materiale topologico HfTe5, le oscillazioni quantistiche log-periodiche sia nel MR longitudinale che nella resistenza di Hall sono strettamente correlate agli stati quasi legati delle particelle di Weyl dalla banda del foro con attrazione di Coulomb a lungo raggio quando la densità del vettore è così diluita, e l'attrazione di Coulomb a lungo raggio è generata dall'impurità di carica o dal tipo opposto di portatori. A parte gli stati quasi legati vicino al centro di Coulomb, anche nella superficie di Fermi esiste un gran numero di operatori di telefonia mobile. Così, la diffusione risonante tra i vettori mobili e gli stati quasi legati intorno al livello di Fermi determinano le proprietà di trasporto del materiale, per esempio. il MR longitudinale e le tracce di Hall. Ulteriori analisi teoriche indicano che lo sfasamento π/2 ha origine dallo scattering risonante tra le portanti mobili e gli stati quasi legati, condividendo la stessa origine delle oscillazioni logperiodiche. Inoltre, gli scienziati hanno analizzato l'influenza di un piccolo intervallo di banda sulla funzione DSI e hanno chiarito la sua rilevanza per vari materiali topologici.

I materiali di Dirac che mostrano la periodicità logaritmica forniscono piattaforme promettenti per studiare il fenomeno del collasso atomico supercritico raramente osservato e la caratteristica di invarianza su scala discreta. Questo lavoro fornisce nuove intuizioni verso un'ulteriore comprensione dell'universalità e della natura fisica delle oscillazioni quantistiche log-periodiche nei materiali Dirac.