重庆师范大学靳鑫、丁献勇＆重庆大学杨小龙PRB：节线半金属ZrSiS中非谐效应诱导的声子避免交叉与反常热输运

2025年11月18日，Phys. Rev. B在线发表了重庆师范大学物理与电子工程学院靳鑫、丁献勇、余鹏团队和重庆大学物理学院杨小龙团队的研究论文，题目为《Anharmonicity-driven avoided phonon crossing and anomalous thermal transport in the nodal-line semimetal ZrSiS》，论文的第一作者为靳鑫。

拓扑半金属因具备独特的电子结构和优异的性能，在量子技术与能量转换领域展现出潜在应用价值，但其非平凡拓扑能带结构与热输运特性之间的基础关联尚未得到明确阐释。传统认知中，金属或半金属的热输运通常以电子贡献为主，可通过维德曼-弗兰兹定律结合洛伦兹数来估算电子热导率（κe），然而在钨、铍等部分金属体系中，该定律因晶格热导率（κL）异常显著而失效。同时，简谐近似方法难以准确描述强非简谐材料的声子行为。对于ZrSiS这类存在较强晶格非谐性的拓扑半金属而言，其κL的实际贡献情况亟待深入探究，且这种非谐性对其热输运的具体作用仍需系统分析。

此研究全面探究了ZrSiS的本征声子与电子输运特性。结果显示，非谐声子重整化（APR）会引发声子软化与避免交叉行为，显著降低声子群速度，导致室温下ZrSiS沿c轴的κL下降16%。同时，考虑电子-声子散射后，发现电声散射也存在各向异性，对ZrSiS沿着c轴的晶格热导率降低更为明显。同时由于ZrSiS的κL相较于κe贡献异常显著，这使得洛伦兹数大幅偏离索末菲常数。此外，计算的电导率与实验测量值吻合良好，且发现ZrSiS具备优异电输运性质，这源于高费米速度与较弱的电子-声子耦合强度，二者均由其拓扑狄拉克电子态导致。该研究既阐明了ZrSiS的基本热输运机制，也强调了APR效应在理解金属体系热传导中的关键作用。

图1. ZrSiS的晶格结构与相关键长、第一布里渊区及各化学键的-ICOHP值

图2. 简谐近似（HA）与室温（T = 300K）下ZrSiS的声子谱、第一布里渊区中Γ点处第六声子支的声子振动形式、原子均方位移、0 K温度下带有格林艾森参数投影的声子色散曲线、ZrSiS二阶原子间力常数模量及简化模型与HA的声子色散关系对比

图3. 突出声子软化和避免交叉行为的声子色散放大图、a轴与c轴声子群速度、晶格热导率简谐分量、300 K下三声子与声子-电子散射率及路径依赖的声子-电子散射率

图4. 标记狄拉克点的投影电子能带结构及态密度、带有费米速度投影的费米面、Eliashberg 谱函数与电子-声子耦合强度、声子限制载流子寿命及载流子沿a轴与c轴的群速度

论文链接：

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