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穩態強磁場裝置助力發現超高電導率材料

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資訊來源: 張警蕾發布日期:[2019-03-20]

  穩態強磁場實驗裝置(SHMFF)用戶復旦大學物理系修發賢教授領銜的研究團隊在砷化鈮納米帶中觀測到其表面態具有超高電導率,這也是目前二維非超導體系中的最高電導率,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構。3月18日,相關研究論文《外爾半金屬砷化鈮納米帶中的超高電導率》(Ultrahigh conductivity in Weyl semimetal NbAs nanobelts)以長文形式在線發表于《自然· 材料》(Nature Materials)。

  材料可以根據導電性進行分類: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電的自由電子,則稱為導體。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電性的材料。一般來說增加導電性,有兩個方法。第一是把電子變多,第二是讓電子跑的快些。但在傳統材料中,這兩者很難同時達到。這主要是由于電子數目多的情況下,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,限制了材料導電性的進一步增強。

  最近,復旦大學修發賢課題組成功合成了砷化鈮的納米帶。測量發現,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導致了砷化鈮納米帶具有超高的電導率,中科院強磁場科學中心張警蕾副研究員等人利用穩態強磁場實驗裝置,系統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構成的量子振蕩。通過對這些量子振蕩分析,研究人員發現砷化鈮中的這種費米弧表面態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。這些實驗結果證明了砷化鈮超高導電的機制源自外爾半金屬特有的費米弧結構。值得指出的是,和常規的量子現象不同,費米弧這一特性即使在室溫仍然有效。

  這一發現為材料科學尋找高性能導體提供了一個可行思路。利用這種特殊的電子結構,可以在提高電子數量的同時,降低電子散射,從而實現優異的導電特性,這在降低電子器件能耗等方面有潛在應用。

  該研究工作由復旦大學、中科院強磁場科學中心、南京大學、加州大學戴維斯分校、昆士蘭大學、北京工業大學、蘇黎世聯邦理工學院、愛爾蘭三一學院等多家單位合作完成。修發賢教授為通訊作者,復旦大學博士生張成為第一作者,復旦大學本科生倪卓亮、中科院強磁場科學中心張警蕾副研究員、復旦大學博士生袁翔為共同第一作者。

  工作在中科院強磁場科學中心的實驗部分得到了中國科學院科研儀器設備研制項目,中國科學院青年促進會,合肥物質科學技術中心創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電性的對比。

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