重慶師范大學靳鑫、丁獻勇＆重慶大學楊小龍PRB：節線半金屬ZrSiS中非諧效應誘導的聲子避免交叉與反常熱輸運

2025年11月18日，Phys. Rev. B在線發表了重慶師范大學物理與電子工程學院靳鑫、丁獻勇、余鵬團隊和重慶大學物理學院楊小龍團隊的研究論文，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。

拓撲半金屬因具備獨特的電子結構和優異的性能，在量子技術與能量轉換領域展現出潛在應用價值，但其非平凡拓撲能帶結構與熱輸運特性之間的基礎關聯尚未得到明確闡釋。傳統認知中，金屬或半金屬的熱輸運通常以電子貢獻為主，可通過維德曼-弗蘭茲定律結合洛倫茲數來估算電子熱導率（κe），然而在鎢、鈹等部分金屬體系中，該定律因晶格熱導率（κL）異常顯著而失效。同時，簡諧近似方法難以準確描述強非簡諧材料的聲子行為。對于ZrSiS這類存在較強晶格非諧性的拓撲半金屬而言，其κL的實際貢獻情況亟待深入探究，且這種非諧性對其熱輸運的具體作用仍需系統分析。

此研究全面探究了ZrSiS的本征聲子與電子輸運特性。結果顯示，非諧聲子重整化（APR）會引發聲子軟化與避免交叉行為，顯著降低聲子群速度，導致室溫下ZrSiS沿c軸的κL下降16%。同時，考慮電子-聲子散射后，發現電聲散射也存在各向異性，對ZrSiS沿著c軸的晶格熱導率降低更為明顯。同時由于ZrSiS的κL相較于κe貢獻異常顯著，這使得洛倫茲數大幅偏離索末菲常數。此外，計算的電導率與實驗測量值吻合良好，且發現ZrSiS具備優異電輸運性質，這源于高費米速度與較弱的電子-聲子耦合強度，二者均由其拓撲狄拉克電子態導致。該研究既闡明了ZrSiS的基本熱輸運機制，也強調了APR效應在理解金屬體系熱傳導中的關鍵作用。

圖1. ZrSiS的晶格結構與相關鍵長、第一布里淵區及各化學鍵的-ICOHP值

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

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. 標記狄拉克點的投影電子能帶結構及態密度、帶有費米速度投影的費米面、Eliashberg 譜函數與電子-聲子耦合強度、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