Particlelike Phonon Propagation Dominates Ultralow Lattice Thermal Conductivity in Crystalline Tl3VSe4

非谐性 声子 凝聚态物理 物理 热导率 格子(音乐) 玻尔兹曼方程 四次方程 量子隧道 量子力学 声学 数学 纯数学
作者
Yi Xia,Koushik Pal,Jiangang He,Vidvuds Ozoliņš,Chris Wolverton
出处
期刊:Physical Review Letters [American Physical Society]
卷期号:124 (6) 被引量:158
标识
DOI:10.1103/physrevlett.124.065901
摘要

We investigate the microscopic mechanisms of ultralow lattice thermal conductivity (κ_{l}) in Tl_{3}VSe_{4} by combining a first principles density functional theory based framework of anharmonic lattice dynamics with the Peierls-Boltzmann transport equation for phonons. We include contributions of the three- and four-phonon scattering processes to the phonon lifetimes as well as the temperature dependent anharmonic renormalization of phonon energies arising from an unusually strong quartic anharmonicity in Tl_{3}VSe_{4}. In contrast to a recent report by Mukhopadhyay et al. [Science 360, 1455 (2018)SCIEAS0036-807510.1126/science.aar8072] which suggested that a significant contribution to κ_{l} arises from random walks among uncorrelated oscillators, we show that particlelike propagation of phonon excitations can successfully explain the experimentally observed ultralow κ_{l}. Our findings are further supported by explicit calculations of the off-diagonal terms of the heat current operator, which are found to be small and indicate that wavelike tunneling of heat carrying vibrations is of minor importance. Our results (i) resolve the discrepancy between the theoretical and experimental κ_{l}, (ii) offer new insights into the minimum κ_{l} achievable in Tl_{3}VSe_{4}, and (iii) highlight the importance of high order anharmonicity in low-κ_{l} systems. The methodology demonstrated here may be used to resolve the discrepancies between the experimentally measured and the theoretically calculated κ_{l} in skutterides and perovskites, as well as to understand the glasslike κ_{l} in complex crystals with strong anharmonicity, leading towards the goal of rational design of new materials.

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