我國科學家發現新型費米子 突破傳統分類—新聞—科學網

2020-12-04 科學網

 

英國《自然》雜誌今天（6月19日）在線發表了中國科學院物理研究所的一項最新成果，該所科研團隊首次發現了突破傳統分類的新型費米子——三重簡併費米子，為固體材料中電子拓撲態研究開闢了新的方向。該發現從理論預言、樣品製備、到實驗觀測的全過程，均由我國科學家獨立完成。

新型費米子的發現，是繼「拓撲絕緣體」、「量子反常霍爾效應」、「外爾費米子」之後，中科院物理所在拓撲物態研究領域的又一項重大突破。科研人員認為，「固體宇宙」中新型粒子的研究剛剛開始，這一研究成果對促進人們認識電子拓撲物態，發現新奇物理現象，開發新型電子器件，以及深入理解基本粒子性質都具有重要的意義。

2016年4月，中科院物理所科研人員翁紅明、方辰、戴希、方忠預言在一類具有碳化鎢晶體結構的材料中存在三重簡併的電子態，其準粒子就是三重簡併費米子，是不同於四重簡併的狄拉克費米子和兩重簡併的外爾費米子的新型費米子。

該所石友國指導博士生馮子力迅速製備出碳化鎢家族中的磷化鉬單晶樣品，丁洪和錢天指導博士生呂佰晴，在上海光源「夢之線」和瑞士保羅謝勒研究所經過幾個月的實驗測量，成功解析出磷化鉬的電子結構，與翁紅明指導博士生許秋楠的計算結果高度吻合，首次實驗發現突破傳統分類的三重簡併費米子。

翁紅明等人的理論工作還指出，三重簡併費米子態與狄拉克費米子和外爾費米子態不同，它對外加磁場的方向敏感，使得含有它的母體材料具有磁場方向依賴的輸運性質。

近期，該所陳根富研究組在碳化鎢中觀測到與狄拉克半金屬和外爾半金屬顯著不同的方向依賴輸運行為，緊接著德國馬克斯-普朗克研究所的科學家在磷化鉬中觀測到極低電阻行為，這些都有可能是這種新型費米子的獨特表現。

據了解，組成宇宙的基本粒子可分為波色子和費米子。現有的理論認為宇宙中可能存在三種類型的費米子，即狄拉克費米子、外爾費米子和馬約拉納費米子。與時空連續的宇宙空間不同，電子所處的「固體宇宙」只滿足不連續的分立空間對稱性，這就可能導致傳統理論中所沒有的新型費米子。尋找新型費米子是近年來拓撲物態領域一個挑戰性的前沿科學問題，也是該領域國際競爭的焦點之一。

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