中山大学物理学院、广东省磁电物性分析与器件重点实验室王慧超教授研究团队与三峡大学李帅副教授合作，近期在量子线性磁电阻（linear magnetoresistance, LMR）和高温量子输运相关研究中取得新进展。他们在这一工作中首次实现了强磁场量子极限下声子散射导致的高温量子LMR效应。这种声子介导的LMR机制与以往发现的LMR的物理来源不同，揭示了电子-声子相互作用在量子极限区域的关键作用。该工作为实现高温下的量子输运现象和开发高温量子器件提供了一种新路径。
▲图1 量子极限下声子散射诱导的量子线性磁电阻原理示意图
金属或半导体在强磁场中的新奇量子现象是凝聚态物理学的长期关注重点之一。当磁场足够强、体系进入仅由最低朗道能级占据的量子极限时，电子与电子、杂质或声子等之间的相互作用可以诱导出一系列有趣发现，例如量子LMR、电荷/自旋密度波、量子霍尔效应、对数振荡等。其中，量子LMR由诺贝尔奖得主Abrikosov提出，基于量子极限下的库伦杂质散射解释了窄带隙拓扑材料中的LMR现象。事实上，自诺贝尔奖得主Kapitsa在1928年发现LMR以来，LMR近些年在各种材料体系中被广泛观测到，引发了实验和理论的广泛研究。然而，实现高温和室温下的量子机制主导的LMR非常具有挑战性，因为高温下的热涨落和增强的声子散射通常会削弱量子输运特征。在高温乃至室温条件下实现稳健的量子输运效应，对基础物理机制研究和实际量子器件发展都具有重要意义。
围绕拓扑材料在强磁场条件下的量子输运行为，王慧超教授团队与合作者前期已开展了系统性研究，取得了一系列创新成果包括：拓扑材料ZrTe5和HfTe5中与离散标度不变性相关的对数周期量子振荡(Science Advances 4, eaau5096 (2018); National Science Review 6, 914-920 (2019); npj Quantum Materials 5, 88 (2020)；PNAS 119 (42), e2204804119 (2022))，较高掺杂浓度外尔半导体Te中的低温Abrikosov量子LMR（Advanced Electronic Materials 8, 11 (2022)）；ZrTe5和HfTe5在量子极限下由屏蔽库伦散射导致的反常磁电阻和磁热电效应（Phys. Rev. B 107, 085140 (2023)）；Ag₂Se中拓扑绝缘体独特的电阻异常谷和磁场诱导的拓扑相变(Physical Review B 111, 085135 (2025) (Editors' Suggestion))。这些研究加深了对强磁场下拓扑材料量子极限输运行为的理解，也为进一步探索高温量子输运现象奠定了基础。近期，研究团队利用具有较低掺杂浓度的外尔半导体Te取得新的突破：在40 K至300 K的宽温区及高达60 T的强磁场下，首次发现了一种由量子极限下声子散射诱导的量子LMR效应（图1）。
声子散射在量子极限下导致LMR这一理论在1977年已由Vijay K. Arora等人提出，但始终缺乏明确的实验验证。碲作为一种外尔半导体 (见图2a)，能带中独特的线性色散特征使其在强磁场下能够形成较大的朗道能级间隙，从而有效抑制高温下热激发对朗道量子化的破坏(见图2b)。同时，样品较低的载流子浓度使体系能够在较低磁场下进入量子极限，且大多数载流子仍然占据最低朗道能级，从而使量子极限下声子散射导致的LMR在高温甚至室温下依然占据主导。实验结果表明，在高磁场量子极限区域，磁电阻呈现出接近理想的线性关系（见图2c, d），横向和纵向磁电阻中均出现LMR效应，且线性斜率随温度呈现反比关系（见图2e）。这些特征为声子散射驱动产生观测到的量子极限LMR提供了关键证据，同时也排除了与不均匀性有关的Parish‑Littlewood等经典机制以及Abrikosov量子LMR机制，因为这些机制通常只造成横向磁电阻（测量时电流与磁场方向垂直）中出现LMR。例如，在著名的Abrikosov量子LMR模型中，电流与磁场平行时纵向磁电阻会出现负磁阻行为，与实验观测到的强磁场下的纵向LMR不一致。从微观机制来看，在强磁场量子极限条件下，电子运动自由度被压缩至沿磁场方向的一维通道，声子散射不仅未破坏量子输运，反而通过特定散射通道产生线性磁场响应，从而导致线性磁电阻 (图2f)，说明高温声子散射可以在特定条件下成为维持量子输运的重要因素(见图2f)。
▲图2 a,碲的能带结构 b, 高温下的空穴占据。由于大的朗道能级间隙，在强磁场下多数空穴被限制在最低朗道能级；c, 当温度升至 40 K 以上时，高场区的磁电阻率表现为线性的磁场依赖关系；d, 不同温度下估算的量子极限磁场BQ以及LMR起始磁场Bc，表明LMR出现在量子极限区域；e, 横向和纵向的线性磁电阻斜率与温度均呈现反比关系；f, 声子散射诱导磁电阻的示意图，随着磁场增加，占据的朗道能级逐步减少至只有最低朗道能级，声子散射诱导的磁电阻由二次方关系演变为LMR现象。
本研究首次在实验上证实了：在量子极限条件下，声子散射可以驱动线性磁电阻，并能够在高温乃至室温环境下保持该效应的稳定性。这一发现不仅拓展了对量子LMR机制和高温量子输运现象的理解，也为在实际工作环境下探索可控量子输运及相关电子器件提供了新路径。
相关成果以“Phonon-scattering-induced linear magnetoresistance in the quantum limit up to room temperature”为题，于2026年4月发表在国际著名期刊《Nature Communications》。中山大学物理学院博士研究生唐喃喃和三峡大学数理学院李帅副教授为论文的共同第一作者，中山大学物理学院王慧超教授为论文的通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金、广东省量子科技专项、国家脉冲强磁场中心、广东省磁电物性分析与器件重点实验室等的支持。
