材料的压力响应对于理解它们在许多领域的性质和性能至关重要，包括凝聚态物理、材料科学和地球物理。在受压力影响的许多特性中，材料的热导率备受关注。

早在2021年，李武课题组已预测了一种具有高热导率的半金属θ相氮化钽（TaN），其主要是由声子贡献的，在体材料中仅次于金刚石和BAs。该预测在2023年已得到了实验的初步验证。在最近的研究中，李武课题组通过第一性原理计算进一步展示了TaN中热导率的非单调压力依赖性。

热导率首先升高，直到在60 GPa左右达到最大值，然后降低。这种反常行为是声子-声子和声子-电子相互作用的对压力响应的竞争结果。其他已知材料BAs和BP的非单调压力依赖性是由不同声子-声子散射通道之间的竞争引起的。

尽管TaN在常压下具有与BAs相似的声子色散特征，但其对压力的响应是不同的。TaN的声子色散会整体硬化。因此，相关的声子-声子散射随着压力的增加而减弱。然而，费米面附近电子态密度的增加，导致高压下声子-电子散射的显著增加，从而导致热导率的降低。在中等压力（~20-70 GPa）下，TaN的热导率超过BAs。

图：氮化钽，金刚石，铝, BP, BN和BAs热导率随压强的变化。

这项研究对半金属和金属中与声子-电子散射相关的声子输运提供了更深入的见解。研究结果发表于Physical Review Letter，标题为“Electron-Induced Nonmonotonic Pressure Dependence of the Lattice Thermal Conductivity of θ-TaN”。论文第一作者为Ashis Kundu博士。该研究工作受到了国家重点研发计划和国家自然科学基金等项目的资助。

单质金属对于理解凝聚态物质的很多性质至关重要。银是电导率最高的金属，同时它也是所有单质金属中导热性最好的。这一关系由Wiedemann-Franz定律保证，即金属中电子贡献的热导率跟电导率成正比。尽管声子在非金属（例如最高热导率材料金刚石）中主导热输运，仍表明金属中声子对热导率的贡献(κ_ph)可以忽略。金属中κ_ph总是可以忽略吗？单质金属中κ_ph的上限是多少？通过发展计算方法，突破计算能力的边界，李武课题组回答了这些问题。

计算发现铍在所有单质金属中具有最高的κ_ph。其高达133 W/m-K，与硅（150W/m-K）相当，接近另外一种单质金属钨的κ_ph的三倍。这主要归因于其高德拜温度和声子色散的bunching效应，这也导致高阶（四阶）非谐性和电子-声子耦合对κ_ph产生强烈（在其他系统中通常很弱）的影响。

图：Be的总热导率以及电子和声子各自的贡献随温度的变化。

这项工作加深了对金属热输运的理解。研究结果发表于以Letter形式发表于Physical Review B，标题为“Origin of the high lattice thermal conductivity of beryllium among the elemental metals”。论文第一作者为陈雅妮副研究员。该研究受到了国家自然科学基金以及国家重点研发计划等项目的资助。

李武副教授（长聘）自2008年以来一直从事声子和电子输运的研究工作，与合作者开发的开源软件ShengBTE（声BTE）（引用2400余次；http://www.shengbte.org/）使无任何拟合参数的第一性原理计算晶格热导率的方法成为主流研究工具，为全世界数百个研究组广泛使用，有力推动了微纳尺度传热和热电材料等相关领域的发展。

论文链接：

Kundu, Chen, Yang, Meng, Carrete, Kabir, Madsen, and Li, Phys. Rev. Lett. 132, 116301 (2024)

https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.132.116301

Chen, Pang, Meng, and Li, Phys. Rev. B 109, L220302(2024)

https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevB.109.L220302