近期，中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所課題組與云南大學、比利時安特衛普大學科研人員合作，基于k·p模型計算了以Na₃Bi為例的三維狄拉克（Dirac）體系的量子與傳輸遷移率。相關成果以Quantum and transport mobilities of a Na₃Bi-based three-dimensional Dirac system為題發表在Physical Review B上。        

　　與常規的二維Dirac系統(比如石墨烯)相比，三維Dirac系統電子結構有所不同：在其低能附近有兩個Dirac點，并且Dirac點附近近似線性色散。不同的Dirac點具有不同的手性，且兩節點間的電子存在交互作用——手性異常、反常磁阻等特性，在新型電子氣功能材料方面具有重要的潛在應用。目前實驗上發現的三維Dirac材料如Na₃Bi，由于其電子手性反常會導致在磁輸運實驗中出現反常的橫向和縱向磁阻，這種反常現象在高濃度和低濃度樣品中可以同時觀測到，但其原因不甚清楚；其次該體系的量子和傳輸遷移率與常規二位電子系統(比如石墨烯、黑磷)相比有不同的特性，但尚未有相關的理論研究。

　　因此科研人員從理論上研究了三維Dirac系統的電子輸運特性，其中的電子哈密頓量采用了簡化的k·p模型。基于獲得的電子能帶結構和費米能量，科研人員成功解釋了在磁輸運實驗中，為什么在高濃度和低濃度的樣品中能同時觀測到由手性異常和貝利彎曲引起的各向異性(Science 350, 413 (2015); Europhys. Lett. 114, 27002 (2016))。此外，在考慮電子雜質交互作用的情況下，研究人員通過半經典的玻爾茲曼方程演化出來的動量平衡方程計算了該體系的量子和傳輸遷移率，發現理論結果和實驗上的測量結果在定性和定量上都吻合較好，同時也解釋了電子的遷移率沿著晶格的不同方向表現出巨大的各向異性。這項理論研究有助于深入理解三維Dirac體系的實驗測量結果和基本的電學和輸運特性。

　　該項研究成果得到國家自然科學基金、合肥大科學裝置基金、云南省自然科學基金資助。

　　相關文章鏈接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevB.99.235303

　　圖1. 左圖對于不同B3(帶參數)值，三維Dirac系統低能附近三維能譜圖；右圖當k=0，B3=0時的能量色散關系。

　　圖2. 左圖在xy平面上不同雜質濃度下量子和傳輸遷移率隨電子濃度的變化關系圖，右圖在平面上和z方向上遷移率和電子濃度的關系圖。（線為理論結果，點為實驗測量結果）