近日，南方科技大学物理系讲席教授何佳清团队在《物理评论X》上发表最新研究。他们发现强轨道-晶格耦合效应导致单晶BaTiS3发生自发对称破缺，形成了一种极为罕见的一维有序、二维无序的三维晶体结构。

这种独特的微观结构使高对称单晶在热输运方面表现出反常特性：面内呈现非晶规律，面外则表现为晶体规律。

研究示意图。南科大供图

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材料的热导率是衡量其导热性能的关键指标，也是材料科学各应用领域中固体材料的重要基础特性之一。在凝聚态物理中，晶体通常具有长程有序的结构，高温时热输运主要受声子-声子非谐散射进程影响，热导率随温度增加通常表现为温度倒数下降的关系，而非晶材料由于原子排列无序，其热导率随温度升高而增大。

然而，何佳清团队发现，简单高对称晶体 BaTiS3 打破了传统凝聚态物理的既有认知规律：尽管其原子排列呈现长程有序状态，却同时展现出非晶（面内）和晶体（面外）的热传导特性。他们从轨道-晶格耦合的角度揭示了这一现象的物理起源，该发现不仅拓展了凝聚态物理的基础理论认知边界，也为新材料开发提供了重要的科学启示。

研究团队基于晶格动力学理论计算了声子色散，发现 BaTiS3 高对称结构不稳定，结构会自发产生对称破缺。此外，研究团队从微观尺度上证实了轨道与晶格之间的耦合效应是高对称结构发生自发对称破缺的根本原因。

随后，他们借助神经演化机器学习势，训练了 BaTiS3 的原子间相互作用势，并运用由该机器学习势驱动的非平衡分子动力学方法，理论预测了100至300开尔文温度区间内 BaTiS3 的面内与面外热导率。研究发现，无论是理论预测还是实验测量所得的面内热导率，均呈现出伴随温度升高而表现出类似非晶材料的变化趋势；而面外热导率，则展现出典型的、随温度升高而降低的晶体热导率变化特征。

研究人员通过理论预测与实验测量的相互验证，清晰地揭示了强轨道-晶格耦合效应对晶体结构及热导率的影响。这一发现对阐释高对称晶体中局部无序及反常的热输运现象具有重要指导意义，同时为优化和寻找性能优异的新型热电材料提出了创新思路。（来源：中国科学报 刁雯蕙）

相关论文信息：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevX.15.011066