北理工反常熱導研究成果除夕之際在《Science》線上發表

2017年1月27日，中國農曆除夕之際，北京理工大學宇航學院洪家旺教授課題組與美國加州大學伯克利分校吳軍橋教授，杜克大學Olivier Delaire教授等合作撰寫的論文《強關聯體系中電荷與熱輸運的反常解耦現象，違背經典的威德曼—弗朗茲定律（Anomalously low electronic thermal conductivity in metallic vanadium dioxide） 在國際科學權威雜誌《Science》線上發表。

該研究工作發現在高溫下二氧化釩中存在異常的低電子熱導現象，為深入研究和理解新奇材料中熱輸運行為提供了新的途徑，為中國除夕帶來一份厚禮 我們知道，一般好的導電材料也是好的導熱材料，比如金屬銅、銀等。在一定的溫度下，許多金屬的電子熱導率與它的電導率比值近似為一個常數，這一規律被稱為威德曼—弗朗茲定律(Wiedemann-Franz law) 。但是，洪家旺與他的合作者發現，在二氧化釩(VO2)這個材料體系中，處於金屬相的二氧化釩的電子熱導率與電導率的關係顯著偏離了教科書中的威德曼—弗朗茲定律：它的電子對熱導率的貢獻僅為常規導體的十分之一。 二氧化釩是一類非常典型的金屬絕緣體相變材料，當溫度升高到60攝氏度附近時，將由絕緣體轉變為金屬，電導率有1萬倍以上的增加。然而，研究人員發現，它的熱導率在這一過程中變化卻非常小。我們知道，材料的導熱性質是由其中的電子和晶格振動（聲子）共同決定的。洪家旺博士基於前期對二氧化釩材料性能的深入研究（相關成果於2014年發表於《自然》）, 通過結合第一性原理計算和同步輻射實驗結果，定量獲得了聲子對二氧化釩熱導率的貢獻，進而得到電子對材料熱導率的貢獻值。正是基於這一定量的結果，洪家旺博士與他的合作者發現金屬相的二氧化釩電子熱導率與電導率的關係顯著偏離了教科書中的威德曼—弗朗茲定律這一異常現象。進一步的研究分析表明，這種異常低的電子熱導是由於二氧化釩中電荷和熱相互獨立傳輸所引起的。

該研究工作在室溫附近發現了電子對熱導率的貢獻顯著偏離常規導體材料的現象。這是洪家旺博士課題組繼「First-principles theory and calculation of flexoelectricity」(24頁長文，2013年11月19日《物理評論B》發表)，「Metallization of vanadium dioxide driven by large phonon entropy」（2014年11月10日《自然》發表），「Orbitally driven giant phonon anharmonicityin SnSe」（2015年10月19日《自然?物理》發表），在先進功能材料和能源材料多場耦合研究領域的又一重要突破。

該工作由多家單位國際合作完成。洪家旺為論文共同第一作者，論文其他第一作者為加州伯克利大學Sangwook Lee, Kedar Hippalgaonkar和Fan Yang。論文通訊作者為美國伯克利大學吳軍橋教授和美國杜克大學Olivier Delaire教授。參與該工作的還有清華大學劉鍇教授，美國加州伯克利大學Changhyun Ko, Joonki Suh, Kevin Wang，Xiang Zhang和Chris Dames，美國勞倫斯伯克利國家實驗室Jeffrey Urban 博士以及美國斯坦福大學SeanHartnoll教授。該研究工作獲得了國家自然科學基金，中組部 「青年千人計劃」等項目的資助。理論計算工作在國家超級計算廣州中心和美國橡樹嶺超算中心完成。

洪家旺博士2010年畢業於清華大學，曾在美國羅格斯大學和橡樹嶺國家實驗室從事博士後研究。入選中組部「千人計劃」青年人才項目，2016年回到北京理工大學工作，致力於先進功能材料、能源材料和二維材料的第一性原理計算和中子同步輻射實驗研究。

附：

論文鏈接： http://science.sciencemag.org/content/355/6323/371

相關論文鏈接：

http://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.88.174107

http://www.nature.com/nature/journal/v515/n7528/full/nature13865.html http://www.nature.com/nphys/journal/v11/n12/full/nphys3492.html

（審核：包麗穎）