穩(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置(SHMFF)用戶復(fù)旦大學(xué)物理系修發(fā)賢教授領(lǐng)銜的研究團隊在砷化鈮納米帶中觀測到其表面態(tài)具有超高電導(dǎo)率,這也是目前二維非超導(dǎo)體系中的最高電導(dǎo)率,其低電子散射幾率的機制源自外爾半金屬特有的費米弧結(jié)構(gòu)。3月18日,相關(guān)研究論文《外爾半金屬砷化鈮納米帶中的超高電導(dǎo)率》(Ultrahigh?conductivity?in?Weyl?semimetal?NbAs?nanobelts)以長文(Article)形式在線發(fā)表于《自然·?材料》(Nature?Materials)。?
材料可以根據(jù)導(dǎo)電性進行分類:如果材料中不允許電子流動,則稱之為絕緣體;如果材料中有大量可以參與導(dǎo)電的自由電子,則稱為導(dǎo)體。為了解決器件熱耗散的問題,人們一直在尋求一些具有超高導(dǎo)電性的材料。一般來說增加導(dǎo)電性,有兩個方法。第一是把電子變多,第二是讓電子跑的快些。但在傳統(tǒng)材料中,這兩者很難同時達到。這主要是由于電子數(shù)目多的情況下,電子會因為費米面的增大而大大增加散射幾率,這其中一些大角度的背散射就會讓電子的運動南轅北轍,從而降低遷移率,限制了材料導(dǎo)電性的進一步增強。?
最近,復(fù)旦大學(xué)修發(fā)賢課題組成功合成了砷化鈮的納米帶。測量發(fā)現(xiàn),砷化鈮納米帶在具有很高電子濃度的情況下仍然具有超高的遷移率。為了進一步確認是什么原因?qū)е铝松榛壖{米帶具有超高的電導(dǎo)率,中科院強磁場科學(xué)中心張警蕾副研究員等人利用SHMFF,系統(tǒng)地研究了砷化鈮納米帶的量子振蕩。得益于較高的測試磁場(最高使用場為32T),研究團隊觀測到了一系列由費米弧表面態(tài)構(gòu)成的量子振蕩。通過對這些量子振蕩分析,研究人員發(fā)現(xiàn)砷化鈮中的這種費米弧表面態(tài)具備低散射率的特性,即使在較高電子濃度的情況下,體系仍然保持低散射幾率。這些實驗結(jié)果證明了砷化鈮超高導(dǎo)電的機制源自外爾半金屬特有的費米弧結(jié)構(gòu)。值得指出的是,和常規(guī)的量子現(xiàn)象不同,費米弧這一特性即使在室溫仍然有效。?
這一發(fā)現(xiàn)為材料科學(xué)尋找高性能導(dǎo)體提供了一個可行思路。利用這種特殊的電子結(jié)構(gòu),可以在提高電子數(shù)量的同時,降低電子散射,從而實現(xiàn)優(yōu)異的導(dǎo)電特性,這在降低電子器件能耗等方面有潛在應(yīng)用。?
該研究工作由復(fù)旦大學(xué)、中科院強磁場科學(xué)中心、南京大學(xué)、加州大學(xué)戴維斯分校、昆士蘭大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)、蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院、愛爾蘭三一學(xué)院等多家單位合作完成。修發(fā)賢教授為通訊作者,復(fù)旦大學(xué)博士生張成為第一作者,復(fù)旦大學(xué)本科生倪卓亮、中科院強磁場科學(xué)中心張警蕾副研究員、復(fù)旦大學(xué)博士生袁翔為共同第一作者。?
工作在中科院強磁場科學(xué)中心的實驗部分得到了中國科學(xué)院科研儀器設(shè)備研制項目,中國科學(xué)院青年促進會,合肥物質(zhì)科學(xué)技術(shù)中心創(chuàng)新項目培育基金等項目的大力支持。?
文章鏈接地址:?https://doi.org/10.1038/s41563-019-0320-9。
圖:左:砷化鈮納米帶高磁場下的量子振蕩、右:砷化鈮納米帶與其它二維材料導(dǎo)電性的對比。