内容速览

近期，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心Q02/HX-Q02课题组的沈洁研究员，HM-01组的石友国研究员，合肥强磁场科学中心的张警蕾研究员合作，依托综合极端条件实验装置的C3极低温强磁场量子输运和调控实验站、C1亚毫开实验站，利用拓扑材料Ta2Pd3Te5的新颖特性，成功研制出一种适用于宽温区测量的电阻温度计，为拓扑材料走向实际应用提供了一个有前景的方向，该温度计可被称为“拓扑温度计”。相关成果以“A wide-range topological thermometer with Ta2Pd3Te5: From power-law response to application prospects ”为题发表于国际物理学期刊《npj Quantum Materials》。

研究内容

在过去的几十年里，拓扑材料与拓扑物理因涌现出各种新颖的物理现象（如表面/边缘态的无耗散输运等特性），已成为凝聚态物理领域的重要研究方向。其潜在应用，包括拓扑电子器件与拓扑量子计算等，也持续受到广泛关注。然而，目前基于拓扑物性的应用研究仍处于相对前期阶段，已报道的结果尚未完全展现出理论预言中的显著优势，有待进一步深入探索与开发。Ta2Pd3Te5作为新型拓扑材料，具备以下几个使其适用于宽范围测温的显著特点：1）其电阻-温度关系在高温区表现出类半导体行为（指数响应），在低温区表现出幂律响应。这种双重特性有效避免了传统半导体温度计在极低温下电阻趋于无穷大的问题，使其能稳定工作于毫开尔文量级的温区。该材料本征的电学行为也规避了目前诸多低温温度计（例如RuO2和Cernox）需通过掺杂或复合来抑制低温指数响应的工艺；2）低温下的幂律行为很可能源于该团队此前在该材料中发现的边缘态Luttinger液体行为（Nat. Commun. 14, 7647 (2023)）。并且该团队还发现可以利用其边缘态制备约瑟夫森二极管（Nat. Commun. 15, 9031 (2024)）；3）高温区的指数响应可能与其激子绝缘体特性（能隙打开）有关，这一特性已分别被物理研究所钱天团队、南京大学张鹏团队和普林斯顿大学M. Zahid Hasan团队通过ARPES实验观测证实（Phys. Rev. X 14, 011046 (2024)，Phys. Rev. X 14, 011047 (2024)），Nat. Phys. 21, 1250–1259 (2025)；4）性能高度可调，可通过化学掺杂、厚度调节与栅压调控等手段，可对其测温性能（如工作温区、磁阻大小）进行精细优化，实现从毫开尔文到室温的宽范围测量，并能获得较低的磁阻；5）优异的灵敏度与分辨率。

图（a）典型低温温度计的温度使用范围,（b）温度电阻关系，灵敏度（c）和分辨率（d）。（e）Ta2Pd3Te5温度计磁响应调控。（f）不同厚度时温度电阻响应。（g）该温度计相关发明专利。

这种基于Ta2Pd3Te5的“拓扑温度计”在宽温区探测方面展现出巨大潜力，值得进一步深入研究。尽管前景广阔，但其走向实用化仍存在需要优化的方面，特别是在制备工艺与关键性能上：例如，需发展磁控溅射等工艺来制备大面积、均匀的薄膜样品；同时，其磁阻效应和电阻-温度响应关系也有待进一步优化。相关技术已申请并获得发明专利授权，为后续应用开发奠定了基础。

综合极端条件实验装置的C3极低温强磁场量子输运和调控实验站、C1亚毫开实验站能够提供覆盖室温到~ 10 mK的宽温区测量环境、最高12T/14T的磁场和极低温下~ 10 nV量级的低噪声电学测量条件，为该工作中器件的电输运测量提供了优良的实验条件。上述相关成果以“A wide-range topological thermometer with Ta2Pd3Te5: From power-law response to application prospects ”为题发表于npj Quantum Materials 11，33 (2026)，物理所博士后李宇鹏（现杭州师范大学副研究员）和王安琪为共同第一作者，沈洁研究员、石友国研究员和张警蕾研究员为共同通讯作者。研究工作还得到王志俊研究员、钱天研究员、屈凡明研究员、刘广同研究员、窦子威副研究员等课题组同仁在实验方面的重要支持。该工作得到北京市杰出青年基金、国家自然科学基金委、科技部重点研发计划、合肥强磁场科学中心、综合极端条件实验装置和材料基因平台等资助。此外，在二维材料的传感器应用方面，近期沈洁研究员和博士后王安琪受邀在nature sensors期刊发表News & Views文章“Twisted graphene puts magnetic fields in check”（Nature Sensors 1, 107 (2026)），以介绍该期刊新近发表的工作“Quantized Landau-level crossing checkerboards for cryogenic magnetometry”。该研究指出，在大角度转角的双层石墨烯中，电位移场D与磁场B的比值D/B为量子化值e2/h。此成果可用于低温环境下强磁场的精确检测，在低温磁强计等方面有着极大应用前景。

相关工作链接：https://www.nature.com/articles/s41535-026-00866-8

https://www.nature.com/articles/s44460-025-00023-x

Ta2Pd3Te5输运研究的前期成果报道：

二阶拓扑绝缘体Ta2Pd3Te5中高度稳定、可延展和易调控的Luttinger液体行为：https://www.iop.cas.cn/xwzx/kydt/202312/t20231211_6912667.html

Ta2Pd3Te5不对称边缘干涉器中的干涉约瑟夫森二极管效应：https:// www.iop.cas.cn/xwzx/kydt/202411/t20241111_7437757.html