磁场环境下ρ-T曲线在相变研究中的局限性：从NbP和SiP2的磁输运行为解析本征电子结构

这篇研究揭示了传统电阻率-温度曲线（ρ(T)）在磁场环境中识别相变的局限性。通过第一性原理计算和玻尔兹曼输运方法，作者证明金属-绝缘体态转变和重入金属行为可能源于磁阻（MR）的标度行为（与磁场B和温度T的幂律关系），而非真实相变。研究以NbP和SiP2为例，验证了理论模型与实验的一致性，强调需排除洛伦兹力导致的常规磁阻效应后，才能确认相变存在。

　　

引言

电阻率-温度曲线（ρ(T)）传统上用于区分材料的金属、半导体和绝缘体行为，但其在磁场中的解释常被误读为相变证据。早期对石墨和铋的研究揭示了磁场诱导的金属-绝缘体转变现象，而WTe₂中极端磁阻（XMR）的发现重新激发了该领域的兴趣。本文系统探讨了磁场和温度共同作用下ρ(T)曲线的标度行为，挑战了其作为相变直接指标的传统认知。

材料与方法

研究结合第一性原理计算（基于VASP软件）和Wannier函数技术（通过WannierTools实现），构建了紧束缚模型。采用玻尔兹曼输运理论计算真实材料的磁输运性质，重点关注NbP和SiP₂的电子结构及载流子补偿效应。

结果与讨论

电阻率拐点行为
在弱补偿条件下（如电子浓度n_e=0.3，空穴浓度n_h=1），ρ(T)曲线随温度单调上升，磁阻（MR）在低温区呈亚线性（γ<1），中温区趋近线性（γ≈1），高温区转为超线性（γ>1）。这种分阶段变化源于费米面几何与载流子散射机制的竞争。

重入金属行为
近补偿体系（n_e=0.7，n_h=1）中，MR在低温区呈线性（γ≈1）而高温区转为二次方（γ≈2），导致ρ(T)曲线出现先降后升的“重入”特征。该现象在NbP实验数据中得以验证，理论计算与实测结果高度吻合，证实其源于载流子迁移率变化而非拓扑相变。

金属-绝缘体类转变
完美补偿体系（n_e=n_h=1）的MR始终遵循γ≈2的二次方标度律，ρ(T)曲线呈现典型的“U型”反转。SiP₂在磁场沿z轴时表现出此类行为，其各向异性费米面导致输运性质对磁场方向敏感。

实际材料验证

NbP
作为Weyl半金属，NbP在低温下MR从抛物线型过渡到线性，高温恢复抛物线依赖，对应ρ(T)曲线的峰值。化学势微小偏移（如7 meV掺杂）即可调控重入行为的出现，表明样品纯度对观测结果的关键影响。

SiP₂
该拓扑平庸半金属在磁场沿z轴时，低温MR呈准线性（γ≈1.2），高温转为二次方。ρ(T)曲线间距随磁场增大而加宽，与理论预测的γ>1行为一致。磁场沿yz方向时，MR呈现非饱和二次方增长，诱发金属-绝缘体类转变。

结论

研究建立了磁阻标度律（γ值）与ρ(T)曲线形态的普适关联，证明表观相变行为可完全由本征电子结构解释。通过NbP和SiP₂的案例，强调需结合费米面几何和载流子动力学分析，避免将磁场效应误判为相变信号。这一框架为强关联体系中的输运现象研究提供了新范式。