2025年11月18日，Phys. Rev. B在線發(fā)表了重慶師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院靳鑫、丁獻(xiàn)勇、余鵬團(tuán)隊(duì)和重慶大學(xué)物理學(xué)院楊小龍團(tuán)隊(duì)的研究論文，題目為《Anharmonicity-driven avoided phonon crossing and anomalous thermal transport in the nodal-line semimetal ZrSiS》，論文的第一作者為靳鑫。

拓?fù)浒虢饘僖蚓邆洫?dú)特的電子結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的性能，在量子技術(shù)與能量轉(zhuǎn)換領(lǐng)域展現(xiàn)出潛在應(yīng)用價(jià)值，但其非平凡拓?fù)淠軒ЫY(jié)構(gòu)與熱輸運(yùn)特性之間的基礎(chǔ)關(guān)聯(lián)尚未得到明確闡釋。傳統(tǒng)認(rèn)知中，金屬或半金屬的熱輸運(yùn)通常以電子貢獻(xiàn)為主，可通過維德曼-弗蘭茲定律結(jié)合洛倫茲數(shù)來估算電子熱導(dǎo)率（κe），然而在鎢、鈹?shù)炔糠纸饘袤w系中，該定律因晶格熱導(dǎo)率（κL）異常顯著而失效。同時(shí)，簡諧近似方法難以準(zhǔn)確描述強(qiáng)非簡諧材料的聲子行為。對(duì)于ZrSiS這類存在較強(qiáng)晶格非諧性的拓?fù)浒虢饘俣?，其κL的實(shí)際貢獻(xiàn)情況亟待深入探究，且這種非諧性對(duì)其熱輸運(yùn)的具體作用仍需系統(tǒng)分析。

此研究全面探究了ZrSiS的本征聲子與電子輸運(yùn)特性。結(jié)果顯示，非諧聲子重整化（APR）會(huì)引發(fā)聲子軟化與避免交叉行為，顯著降低聲子群速度，導(dǎo)致室溫下ZrSiS沿c軸的κL下降16%。同時(shí)，考慮電子-聲子散射后，發(fā)現(xiàn)電聲散射也存在各向異性，對(duì)ZrSiS沿著c軸的晶格熱導(dǎo)率降低更為明顯。同時(shí)由于ZrSiS的κL相較于κe貢獻(xiàn)異常顯著，這使得洛倫茲數(shù)大幅偏離索末菲常數(shù)。此外，計(jì)算的電導(dǎo)率與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值吻合良好，且發(fā)現(xiàn)ZrSiS具備優(yōu)異電輸運(yùn)性質(zhì)，這源于高費(fèi)米速度與較弱的電子-聲子耦合強(qiáng)度，二者均由其拓?fù)涞依穗娮討B(tài)導(dǎo)致。該研究既闡明了ZrSiS的基本熱輸運(yùn)機(jī)制，也強(qiáng)調(diào)了APR效應(yīng)在理解金屬體系熱傳導(dǎo)中的關(guān)鍵作用。

圖1. ZrSiS的晶格結(jié)構(gòu)與相關(guān)鍵長、第一布里淵區(qū)及各化學(xué)鍵的-ICOHP值

圖2. 簡諧近似（HA）與室溫（T = 300K）下ZrSiS的聲子譜、第一布里淵區(qū)中Γ點(diǎn)處第六聲子支的聲子振動(dòng)形式、原子均方位移、0 K溫度下帶有格林艾森參數(shù)投影的聲子色散曲線、ZrSiS二階原子間力常數(shù)模量及簡化模型與HA的聲子色散關(guān)系對(duì)比

圖3. 突出聲子軟化和避免交叉行為的聲子色散放大圖、a軸與c軸聲子群速度、晶格熱導(dǎo)率簡諧分量、300 K下三聲子與聲子-電子散射率及路徑依賴的聲子-電子散射率

圖4. 標(biāo)記狄拉克點(diǎn)的投影電子能帶結(jié)構(gòu)及態(tài)密度、帶有費(fèi)米速度投影的費(fèi)米面、Eliashberg 譜函數(shù)與電子-聲子耦合強(qiáng)度、聲子限制載流子壽命及載流子沿a軸與c軸的群速度

論文鏈接：

Xin Jin, Qingqing Zhang, Dengfeng Li, Zhenxiang Cheng, Jianli Wang, Xuewei Lv, Xiaoyuan Zhou, Rui Wang, Xianyong Ding, Peng Yu, and Xiaolong Yang. Phys. Rev. B., 2025, 112, 184311, DOI:10.1103/zzb2-tqfg

投稿日期：2025年7月22日

接收日期：2025年10月31日