材料可以根據(jù)導(dǎo)電性進(jìn)行分類：如果材料中不允許電子流動(dòng)，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(wèn)題，人們一直在尋求一些具有超高導(dǎo)電性的材料。一般來(lái)說(shuō)增加導(dǎo)電性，有兩個(gè)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(shí)達(dá)到。這主要是由于電子數(shù)目多的情況下，電子會(huì)因?yàn)橘M(fèi)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(huì)讓電子的運(yùn)動(dòng)南轅北轍，從而降低遷移率，限制了材料導(dǎo)電性的進(jìn)一步增強(qiáng)。

　　最近，修發(fā)賢課題組成功合成了砷化鈮的納米帶。測(cè)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(jìn)一步確認(rèn)是什么原因?qū)е铝松榛壖{米帶具有超高的電導(dǎo)率，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心副研究員張警蕾等人利用穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置，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(cè)試磁場(chǎng)（最高使用場(chǎng)為32T），研究團(tuán)隊(duì)觀測(cè)到一系列由費(fèi)米弧表面態(tài)構(gòu)成的量子振蕩。通過(guò)對(duì)這些量子振蕩分析，研究人員發(fā)現(xiàn)砷化鈮中的這種費(fèi)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(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了砷化鈮超高導(dǎo)電的機(jī)制源自外爾半金屬特有的費(fèi)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(fèi)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(gè)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(shí)，降低電子散射，從而實(shí)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(qiáng)磁場(chǎng)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(ài)爾蘭三一學(xué)院等多家單位合作完成。修發(fā)賢為通訊作者，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、強(qiáng)磁場(chǎng)中心張警蕾、復(fù)旦大學(xué)博士生袁翔為共同第一作者。

　　該研究在強(qiáng)磁場(chǎng)中心的實(shí)驗(yàn)部分得到了中科院科研儀器設(shè)備研制項(xiàng)目、中科院青年促進(jìn)會(huì)、合肥物質(zhì)科學(xué)技術(shù)中心創(chuàng)新項(xiàng)目培育基金等的支持。

左：砷化鈮納米帶高磁場(chǎng)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(duì)比。

標(biāo)簽：

• 強(qiáng)磁場(chǎng)
• 高電導(dǎo)率材料