铜、金和银是目前应用最广泛的优良导体，但当这些材料变得很薄，进入二维尺度时，电子的散射明显增多，其运动方向容易发生大角度偏折，导电性将迅速变差。
近日，复旦大学物理学系修发贤课题组与中国科学院强磁场科学中心、南京大学、加州大学戴维斯分校等合作，观测到外尔半金属材料砷化铌近乎完美的导电特性，为寻找超高导电材料提供了新思路。3月19日，相关研究成果在线发表于《自然—材料》。
“电子在纳米结构中的传输是一个‘千军万马过独木桥’的过程，而我们找出了一条绿色通道。”复旦大学物理学系教授、该论文通讯作者修发贤这样介绍这一最新研究成果。
千军万马过独木桥
导体材料区别于绝缘体，其中有大量可以自由导电的电子。当电子流过导体时，会损耗一部分电子能量，从而导致导体发热，比如电水壶就是根据这一原理加热，但在很多情况下，这种发热都是不必要的，比如传输电信号、电能的过程，发热不仅耗费能源，还可能引发事故。
另外，随着芯片水平的提高，计算机和智能设备体积越来越小，信号传输量爆炸式增长，也导致芯片中上千万细如发丝的晶体管互连导线运送的电子更密集，“运送压力”加大，产生的热量增多。
这在一定程度上制约着信息领域的进一步发展，修发贤说：“电流从输入端进入芯片时，犹如千军万马从大草原一下子上了独木桥，若找不到‘宽敞’的通路，相互撞击，四处‘碰壁’，电子在独木桥上耗散巨大，那么芯片就会剧烈发热，影响设备的运行状态。”
不用“排队”，也不会“拥挤”，有没有一种办法让大量电子在这些纳米级互连导线中顺畅高速通行？“如果能构建一条‘绿色通道’就好了！”
突破“一高一低”的制备难题
近年来，砷化铌作为第一批发现的外尔半金属被广泛研究，但以往成果都止步于肉眼可见的高维度体材料，其低维状态下的物理性质研究迟迟未有涉及。
“砷化铌是研究人员的‘老朋友’了，但要想进一步研究砷化铌，其纳米材料的制备是要过的第一道难关。”修发贤说。
铌的熔点很高，砷的熔点较低，把这两种材料融在一起非常难。简单的高温加热完全无法制备低维材料。研究人员首次利用氯化铌、砷和氢气化学反应成功制备砷化铌纳米带，在世界上首次实现外尔半金属纳米结构的制备。修发贤介绍，除了发现新的化学制备方法之外，在实验过程中纳米样品的生长条件也非常苛刻，包括温度、气体流量、催化剂的综合控制。
经过一年多的反复试验，纳米结构终于长出来了。
从“0”到“1”制备出了高质量砷化铌样品后，修发贤团队还不满足，决意进一步观察材料特性。
研究人员发现，砷化铌表面态具有近乎完美的超高电导率，其导电性高于金属铜薄膜百倍，高于石墨烯千倍，这也是目前二维体系中已知的最高电导率，在电力传输和低功耗器件方面具有应用价值。
犹如镀金的瓷碗
一般来说，增加导体导电性无非两种办法，一是增多电子数量，二是让电子跑得快些，然而这两者很难同时实现。增加电子的情况下，电子会发生偏离导电方向的散射，其中一些散射是大角度的，使电子的运动与导电方向南辕北辙。如果电子要跑得快，必须让电子的迁移率比较高。
“在外尔半金属砷化铌纳米带的表面，不可思议的事情发生了。”研究人员发现，虽然外尔半金属砷化铌内部导电性比较普通，但其表面存在一个导电性异常好的通道。在该通道，即使电子增多，也不会发生大角度散射，所有电子沿同一个方向运动，提高电子传输效率。利用这种特殊的电子结构，可以在提高电子数量的同时，降低电子散射，从而实现优异的导电特性，这在降低电子器件能耗等方面有潜在应用。
修发贤介绍，砷化铌纳米带的高电导率要归功于其表面与众不同的电子结构——具有拓扑保护的表面态（费米弧）。“拓扑保护的表面态就像是家里用的瓷碗外表面镀了一层金，瓷碗本身不导电，但表面的这层金膜导电。如果存在拓扑保护，这层金膜被磨掉之后，下面就会自动再出现一层金膜，重新形成导电层。”
专家表示，与常规的量子现象不同，费米弧这一特性即使在室温仍然有效。费米弧的这些特性无疑提高了材料的电导率。
