Na3Bi中发现超快的传导电子

一项由澳大利亚科学家主导的研究使用扫描隧道显微镜“技巧”绘制了Na3Bi的电子结构图，来了解这个材料超高的电子迁移率。在研究拓扑Dirac半金属时，研究小组发现交换关联效应对电子速度，从而对迁移率以及把这类新颖的材料应用到未来超低能的电子产业中至关重要。迄今为止， 人们还不知道Na3Bi在导带(高于费米能级)中的能带色散，虽然有强有力的暗示表明电子的实际速度比理论预测大得多。主要作者Iolanda di Bernardo博士说：“我们生长了Na3Bi的薄膜，通过准粒子干扰研究了它们的能带结构， 我们的计算表明，了解带电载流子的超高的实验速度至关重要，特别是在导带、交换关联效应中。”

巧妙的技巧和惊喜

拓扑Dirac半金属可以被认为是石墨烯的3-D对应，他们围绕在Fermi能级(传导电子通常所在的位置)表现出了与石墨烯所展示的相同的线性能带色散，这意味着他们的电子实际上是没有质量的。很显然，无质量的电子意味着超高的传导率。在这种情况下，它在空间的三个方向都有高传导率。Na3Bi材料被认为是线性能带色散，但合理画出这种材料的导带还是有所缺失。

事实上，测量费米能级以上的材料的能带结构并不是一项简单的任务，主要是因为电子通常不会在这些能级中。其中一个方法可以完成这个任务，那就是使用一种巧妙利用扫描隧道显微镜的技术。Iolanda解释道：“我们获取了在不同电压偏置的探针尖端和样品之间的量子隧道电流的成像。” 这些成像的衍生物显示了非常经典的模式，这些模式源自于电子散射加上样品中的无序状态。这种散射过程混合了在倒易空间中等能量轮廓上的电子，通过对成像进行傅里叶变换而显现出来。这种情况下，等能量线产生圆圈对应于沿着Dirac锥体能量色散的横切面。

这种分析技术使团队能够重建材料中的(线性)能带色散，并提取带电载流子在价带和导带中的速度。但是，当这些测量的能带色散与理论预测进行比较时，科学家们遇到一个问题，处于最低位置价带和导带的载流子测量速度明显高于理论预测。这个团队找到了一种方法来显著提高测量和理论之间的一致。Iolanda 解释道：“我们使用越来越复杂的模型来描述我们的系统，并发现随着我们改进了模型中对交换和关联电势的处理(从 PBE 到 GW 方法)，我们可以更接近实验值，虽然我们依旧观察到一些差异。”

虽然这些意外的强相互作用的起源尚不清楚，但新的研究表明交换关联效应很可能是Na3Bi中电子高速运转的基础。了解拓扑Dirac半金属中载流子的超高迁移率是将这些材料成功运用到低能耗电子设备中的的重要一步。这项研究题为“importance of interactions for the band structure of the topological Dirac semimetal Na3Bi”， 发表在2020年7月《Physical Review B》上。