狄拉克锥与范霍夫奇点相互作用诱导Kagome金属中的亚线性输运

《Nature Communications》：Sublinear transport in Kagome metals from the interplay of Dirac cones and Van Hove singularities

　　本刊推荐：为解决Kagome金属中普遍存在的电阻率随温度亚线性增长（ρ(T) ∝ Tγ, γ<1）这一非常规输运现象，研究人员通过构建包含狄拉克锥（Dirac cone）和范霍夫奇点（Van Hove singularity, VHS）的双能谷半经典模型开展研究。结果表明，在扩展费米液体散射框架下，节点间电子-电子相互作用在低温和高温区间分别导致电荷与热流弛豫通道分离，从而自然产生亚线性标度行为并破坏维德曼-弗朗兹定律（Wiedemann-Franz law）。该研究为理解Kagome金属中无需精细调控或奇异相互作用的非费米液体行为提供了普适性理论框架。

　　

在传统金属的费米液体理论中，电阻率随温度平方（T²）变化是电子相互作用的标志性特征。然而，近年来在具有Kagome晶格结构的金属材料中，实验观测到了令人费解的现象：电阻率随温度呈现亚线性增长（ρ(T) ∝ T^γ, γ<1），且这一行为可持续至室温。这种非常规输运行为在Ni₃In、ScV₆Sn₆、CsV₃Sb₅等Kagome金属中普遍存在，挑战了传统散射机制的解释框架——电子-声子耦合通常导致超线性标度（n≥1），而杂质散射贡献与温度无关。这一矛盾促使研究者探寻新的物理机制。

发表于《Nature Communications》的最新研究通过构建最小半经典模型，揭示了狄拉克锥与范霍夫奇点（VHS）的协同效应是产生亚线性输运的关键。研究团队发现，当费米能级靠近VHS时，节点间电子-电子散射会形成温度依赖的动量弛豫库，其尺寸q_T∝ T^1/α（α为VHS能带色散指数）直接决定了散射率的非经典标度行为。该模型不仅成功解释了实验观测的电阻率指数γ（如Ni₃In中γ=0.3），还预测了热导率κ ∝ T^1-3/α的亚线性规律及高温下维德曼-弗朗兹定律的破坏。

本研究主要采用理论建模与第一性原理计算相结合的方法。通过玻尔兹曼方程描述电子输运过程，重点分析节点内与节点间电子-电子散射的竞争机制；利用全势局域轨道（FPLO）代码进行密度泛函理论（DFT）计算，采用Perdew-Burke-Ernzerhof（PBE）泛函的广义梯度近似（GGA），通过250×250×250 k点网格精确计算能带结构与态密度。

两能谷模型构建

研究从Kagome金属的典型能带特征出发，建立了包含快速狄拉克电子（d能谷）和慢速VHS电子（v能谷）的双能谷模型。狄拉克锥具有线性色散E_d(k) = v_F|k|，而VHS能谷采用鞍点色散E_v(k) = A(|k_x|^α- |k_y|^α)（α>2）。关键发现在于：当T远大于v能谷化学势μ_v时，VHS附近热激活电子云尺寸q_T∝ (T/A)^1/α形成温度依赖的动量弛豫库。由于VHS电子态密度发散（ν_v(E) ∝ |E|^-β, β=1-2/α），节点间散射成为主导机制。

散射机制分析

通过求解玻尔兹曼方程，研究系统比较了节点内散射（τ_intra^-1∝ T²/μ_d）与节点间散射（τ_inter^-1∝ T^3/α）的温度依赖关系。在μ_v<< T << μ_d区间，节点间散射因VHS的奇异态密度而占主导，推导出电阻率标度ρ(T) ∝ T^3/α。该公式成功预测了Ni₃In中β=0.8（对应α=10）时γ_th=0.3，与实验值γ_exp=0.34高度吻合。

维德曼-弗朗兹定律破坏

研究首次揭示了双能谷模型在高温区（T >> μ_d）的独特行为：狄拉克节点的电子-空穴对称性恢复导致节点内相互作用退屏蔽，使得电荷电流弛豫由节点内散射主导（τ_σ≈ τ_intra），而热流弛豫仍依赖节点间散射（τ_κ≈ τ_inter）。这种弛豫通道的分离导致洛伦兹数L(T)呈现非单调温度依赖，在μ_d< T < T_cr区间表现为L(T) ∝ T^δ（δ=3-3/α），清晰解释了维德曼-弗朗兹定律的破坏机制。

实验数据验证

通过DFT计算多个Kagome材料（Ni₃In、ScV₆Sn₆等）的能带结构，研究证实VHS位置与费米能级的接近程度直接决定输运行为。如图4所示，Ni₃In的态密度峰值拟合给出β=0.8，理论预测与实验测量的电阻率指数高度一致。对于V基Kagome材料，研究还发现其普遍存在γ≈0.6的亚线性行为，进一步验证了模型的普适性。

本研究通过构建双能谷半经典模型，揭示了Kagome金属中亚线性输运的普适机制：VHS提供的温度依赖动量弛豫库与狄拉克电子的快速输运特性相结合，导致电子-电子散射产生独特的标度行为。该模型不仅统一解释了多种Kagome材料的实验现象，还预测了热输运与电荷输运的退耦合现象。这一工作将“高阶范霍夫奇点”这一能带拓扑概念与宏观输运性质直接关联，为探索非常规电热输运现象提供了新范式，对设计新型量子输运器件具有指导意义。