磁场中材料相变判据研究取得突破性进展
磁场中材料相变判据研究取得突破性进展
测量材料在不同温度下的电阻率，是理解其物理特性的关键。然而在磁场中，电阻率曲线出现复杂变化，传统理论难以解释。过去普遍认为这是金属-绝缘体转变，但争议不断。为此难题，我们提出磁阻标度理论，结合第一性原理计算，模拟金属SiP₂与外尔半金属NbP的磁场电阻率，与实验高度吻合。结果表明，这些复杂现象并非相变所致，而是材料本征电子结构在磁场和温度的标度律中的表现。本研究为理解磁场中电子输运提供新思路，并具应用潜力。
通常，电阻率-温度曲线ρ(T)被用作判断材料所处相态的重要依据。根据固体物理学的观点，如图1所示，金属的电阻率随着温度的升高而增加，而绝缘体则表现为电阻率随着温度的升高而降低。半导体在低温下电阻率下降，但在高温下则会增加。这些变化规律帮助我们理解材料的基本性质和行为。
图1 传统的金属、半导体和绝缘体对应的电阻率温度曲线和能带结构示意图
自从2014年在WTe2中发现极大磁阻效应以来，关于磁阻效应和磁场引发的金属-绝缘体转变的研究重新引起了广泛关注。2015年的一项研究[PhysRevB.92.180402 (2015)]重新研究了Kohler定律，帮助我们理解为什么在磁场作用下，电阻率随着温度变化呈现出类似金属-绝缘体转变的特征。这一发现为我们揭示了磁场对材料电性影响的新奥秘。
在扩散输运区间，磁阻的标度律显示磁阻MR是Bτ的函数，MR对Bτ进行泰勒展开的话，可以发现在不同的温度和磁场区间函数关系式不一样的，假设MR∝(Bτ)^γ，其中τ为弛豫时间，γ=0表示没有磁阻，γ=2对应二次方的不饱和磁阻。图2显示不同的γ对应磁场下的ρ(T)很不相同，γ>1对应的是“金属绝缘转变”，γ=1对应的是平行的ρ(T)曲线，γ<1对应的是高场下增长更快的ρ(T)曲线。
图2 不同磁阻变化行为对应的不同电阻温度变化行为
在真实材料中，不同温度下的磁阻变化行为很复杂，不同的温度和磁场区间函数关系式不一样，对应MR∝(Bτ)^γ中的γ值不同。图3展示了载流子浓度配比不同时，电阻率对温度和磁场的依赖关系曲线。图3三幅图显示了一个趋势，当体系越接近电子空穴补偿（右图），电阻率对温度的依赖曲线就越容易出现类似“金属-绝缘体转变”的特征。在中间区域（中间图），电阻率对温度的依赖曲线关系就更复杂，不仅仅出现似“金属-绝缘体转变”的特征，当温度降低还会出现所谓“重入金属态”的特征。在远离补偿区（左图），还可以出现磁场诱导的电阻拐点(kink)曲线。这几个现象虽然早在各种金属、半金属中观察到，一直缺乏一个系统的理论和计算来完全囊括实验全部观察到的现象。
图3 不同电子空穴浓度比例下对应的磁场下的电阻温度曲线行为
我们的工作正是基于领域的这一空白，创造性地将Boltzmann输运理论和科勒定理结合起来，通过第一性原理计算等手段，全维度地解释这一现象。在图4中，我们将此方法应用到实际材料NbP和SiP2，展示了此方法的强大。图4上排是实验测量数据图，下排是我们的理论计算结果，可以发现理论计算完美解释了实验的磁阻行为。图4B和F中，能观察到NbP在低温高磁场下出现了所谓的“重入金属态”现象，类似图3中间图情况。而在图4D和H中，SiP2在低温高磁场的电阻率就是随着温度的单调递增关系，类似图3左图的情况。
图4 理论计算和实验测量磁电阻在NbP和SiP2材料中的对比
总结与展望
我们发现，在外加磁场下，“金属-绝缘体转变”、“电阻温度曲线拐点”及“重入金属态”并非真实相变，而是磁阻标度效应所致，由本征的电子结构性质决定。通过基于第一性原理和玻尔兹曼输运方法和WannierTools软件计算，我们成功解释了这些奇异转变，并统一了不同实验结果。这一理论框架为变温、变磁场条件下材料的电子输运提供了新认识，推动材料科学和凝聚态物理的进一步发展。今后研究将系统探究其他材料中相似效应，为新型功能材料的设计提供更广阔的前景。
本文原文来自The Innovation