首次實驗證明:Weyl費米子存在於,慢磁漲落的順磁性體中!

2020-12-04 博科園

一種特殊的基本粒子，外爾（Weyl）費米子，幾年前被首次發現。Weyl費米子的特點是：Weyl費米子以一種有序的方式在材料中移動，幾乎不讓它們相互碰撞，因此非常節能。這為未來的電子產品開闢了有趣的可能性。到目前為止，Weyl費米子只在某些非磁性材料中被發現。然而現在，保羅舍勒研究所（PSI）的科學家們第一次在實驗中證明了Weyl費米子存在於另一種物質中：

一種具有固有慢磁漲落的順磁性體，這一發現還表明，利用小磁場操縱Weyl費米子是有可能的，這可能使它們在自旋電子學中得到應用，這是一項很有前景的電子新計算機技術發展，其研究成果2019年7月12日發表在《科學進展》上。在可能為未來節能電子鋪平道路的方法中，Weyl費米子可能會扮演一個有趣的角色。在實驗中只在物質內部發現了所謂的準粒子，它們的行為就像沒有質量的粒子。

數學家赫爾曼·外爾(Hermann Weyl)在1929年從理論上做出了預測。但PSI的科學家們直到2015年才有了實驗發現證明了外爾的預測。到目前為止，Weyl費米子只在某些非磁性材料中被觀察到。然而現在，PSI的一組科學家與美國、中國、德國和奧地利研究人員也在一種特定的順磁性物質中發現了它們。這一發現可能使未來計算機技術中Weyl費米子的潛在應用更進一步。

尋找慢磁漲落

PSI的博士後研究員、這項新研究的第一作者馬軍章(音譯)說：最難的部分，是找到一種合適的磁性材料，在其中尋找這些Weyl費米子。多年來，儘管公認的理論假設是，在某些磁性材料中，Weyl費米子可以獨立存在，但儘管全球幾個研究小組做出了相當大的努力，這方面的實驗證據仍然缺乏。PSI的科學家團隊於是有了一個想法，將注意力轉向一組特定的磁性材料：具有慢磁漲落的順磁性材料。在特定的順磁性材料中，這些固有的磁漲落足以產生一對Weyl費米子。

但波動必須足夠慢，才能出現Weyl費米子，從那時起，確定哪些物質具有足夠慢的磁漲落，就成了研究人員的主要挑戰。由於磁漲落的特徵時間並不是每一種材料都能在參考文獻中查到，所以研究人員花了一些時間和精力來尋找適合實驗的材料。在PSI進行的理論物理模型分析也幫助確定了一個有希望的候選材料，該材料具有慢磁漲落：化學符號EuCd2As2:銪-鎘-砷。事實上，在這種順磁性材料中，科學家們能夠通過實驗證明Weyl費米子。

用介子和x射線測量

科學家們使用兩個PSI大型研究設施進行實驗：首先使用瑞士Muon源（SμS）來測量和更好地表徵其材料的磁波動。隨後在瑞士光源SLS用x射線光譜法觀察了Weyl費米子。其證明的是：Weyl費米子可以存在於比之前認為更廣泛的材料中。因此，研究大大拓寬了被認為是可行材料的範圍，以尋找適合未來電子產品的材料。在一個叫做自旋電子學的發展領域，Weyl費米子可以被用來傳輸信息，其效率遠遠高於當今技術中電子傳輸信息的效率。

博科園｜研究/來自：保羅舍勒研究所參考期刊《科學進展》DOI: 10.1126/sciadv.aaw4718博科園｜科學、科技、科研、科普

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