中國科學家發現新型手性費米子—新聞—科學網

2020-12-04 科學網

 

中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心研究員丁洪、錢天和副研究員孫煜傑團隊與中國人民大學物理學系雷和暢等合作者共同發現三維材料CoSi中存在新型手性費米子的確定證據。該實驗結果證明了新型手性費米子的存在，為探索由手性費米子引起的新奇物理現象提供了一個較為理想的平臺。相關研究成果於3月20日發表在《自然》上。

手性是指一個物體與其鏡像不能重合的現象，比如我們的雙手，左右與右手不能重合。手性現象在自然界中廣泛存在，在物理學中表示一種重要的「對稱性」。在相對論物理中，手性是指無質量粒子的自旋和動量方向平行或者反平行，儘管90年前理論預測了存在無質量手性費米子——外爾費米子，但它們作為基本粒子的存在尚未經過實驗證實。

論文通訊作者之一錢天告訴《中國科學報》，在固體中，一些材料的體態電子結構因某些對稱性或者拓撲的保護致使能帶交叉時不會雜化，出現能帶簡併。這個特徵介於金屬和絕緣體或半導體之間，屬於半金屬材料，也被稱為拓撲半金屬。在簡併點附近會激發各種類型的費米準粒子。

迄今為止，實驗已經證明「固體宇宙」中存在3種費米準粒子：四重簡併的狄拉克費米子、二重簡併的外爾費米子、以及三重簡併費米子。只有外爾費米子具有手性，狄拉克費米子和三重簡併費米子本身沒有手性。錢天表示，「可以通過破缺對稱性，比如外加磁場，將它們退簡併成手性的外爾費米子。」

全新的奇特拓撲量子材料狄拉克半金屬和三重簡併點半金屬中表現出的許多物理性質，例如手性反常導致的負磁阻效應和表面態費米弧，本質上都是來源於手性的外爾費米子。

「現有的理論已經證明，在「固體宇宙」中還存在著多種類型的除外爾費米子以外的手性費米子以及相關的材料，但直接的實驗證據仍然缺乏。」錢天說，在眾多關於新型手性費米子的理論預言中，過渡金屬矽化物CoSi屬於能帶結構比較理想的材料。也正因如此，該材料引起了國際上多個研究團隊的關注。

角分辨光電子能譜實驗可以提供直接的證據，但需要原子級平整的樣品表面。由於CoSi是三維材料，傳統的解理方法獲得的表面無法滿足實驗要求。論文通訊作者之一孫煜傑和論文第一作者、中國科學院大學博士生饒志成藉助「拋光－轟擊－退火」的方法，經過長時間的不斷摸索，終於在CoSi單晶樣品上得到原子級平整的表面，並在上海光源「夢之線」觀測到清晰的體態和表面態能帶。實驗結果顯示在體布裡淵區的中心和角落處存在體態能帶簡併點，並通過分析表面態確定了簡併點處存在手性的費米子，這與理論計算結果高度吻合。

饒志成告訴記者，日本、美國、英國的3個研究團隊也同時在CoSi這一類材料中尋找新型手性費米子的證據，但中國科學家在樣品質量、數據質量等方面獲得了最高質量的結果。

「尋找物理世界中的新事物，很多首先是理論預言，在此基礎上進行樣品製備、實驗觀測進行『判定』，最終確定某種現象或是物態存在或不存在，但對於其是否具備某些性質甚至最終實用價值如何，還需要更多的研究。」孫煜傑表示。

科學家認為，此次發現外爾費米子之外的新型手性費米子不僅是拓撲半金屬領域上的突破，也可以為探索手性費米子相關的物理現象提供更多的途徑，具有重要的科學意義和應用價值。

相關論文信息：DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-019-1031-8

相關焦點

  • 中國科學家觀測到新型手性費米子
    （觀察者網訊）觀察者網4月8日從中科院物理所網站獲悉，中科院物理所EX7組丁洪研究員、錢天研究員和孫煜傑副研究員與其他合作者共同發現三維材料CoSi中存在新型手性費米子的確定證據。該實驗結果證明了新型手性費米子的存在，為探索由手性費米子引起的新奇物理現象提供了一個較為理想的平臺。相關研究成果於3月20日發表在《自然》上。
  • 中國科學家發現新型費米子
    原標題：中國科學家發現新型費米子 　　本報北京6月20日電（記者 邱晨輝）繼「拓撲絕緣體」「量子反常霍爾效應」「外爾費米子」之後，中國科學家在拓撲物態研究領域又迎來一項重大突破。
  • 我國科學家觀測到新型手性費米子
    手性是指一個物體與其鏡像不能重合的現象，就像我們的左手和右手。在量子場論中，無質量粒子的手性就是由其自旋與動量方向平行或者反平行來定義的。外爾費米子就是一種具有手性的無質量粒子，自90年前由理論提出以來，雖然作為基本粒子至今沒有得到證實，但作為準粒子在凝聚態材料中於2015年發現了存在的證據。因此，在凝聚態材料中尋找新型手性費米子成為了研究的熱點。
  • 進展|新型手性費米子研究取得進展
    凝聚態物理中，如果包圍能帶簡併點的費米面具有非零的陳數，則該簡併點具有手性，在該費米面上的低能準粒子激發可以被看成是的手性費米子。今年初中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心與中國人民大學物理系合作，利用角分辨光電子能譜證實了在CoSi這個手性晶體中，存在新型手性的spin-1和charge-2費米子，並在(001)表面觀測到跨過整個布裡淵區的螺旋結構的拓撲表面態【Nature567, 496 (2019)】。類似的新型手性費米子在RhSi、PtAl等體系也被實驗所確認。
  • 物理所等在實驗中觀測到新型手性費米子
    狄拉克點和三重簡併點都可以看成是一對手性相反的外爾點的疊加，手性相互抵消，所以狄拉克費米子和三重簡併費米子都沒有手性。但可以通過外加條件破缺對稱性，比如外加磁場，將它們退簡併成手性的外爾費米子。狄拉克半金屬和三重簡併點半金屬中表現出的許多物理性質，例如手性反常導致的負磁阻效應和表面態費米弧，本質上都是來源於手性的外爾費米子。
  • 中國科學家發現新型費米子——三重簡併費米子
    在國家重點研發計劃「大科學裝置前沿研究」重點專項等的支持下，中國科學院物理研究所的研究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。這是繼「拓撲絕緣體」、「量子反常霍爾效應」、「外爾費米子」之後，中國科學家在拓撲物態研究領域的又一項重大突破。該項研究成果在《自然》（Nature）雜誌上發表。    組成宇宙的基本粒子可分為玻色子和費米子。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。
  • 我國科學家發現新型費米子 突破傳統分類—新聞—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
  • 手性環狀納米結構研究獲新發現—新聞—科學網
    華東理工大學材料學院教授林嘉平團隊在手性環狀納米結構的製備上取得了新發現。相關研究成果近日發表於《德國應用化學》，並已入選熱門論文。 手性結構在自然界中隨處可見，大到宇宙星雲，小到蝸牛、牽牛花藤都有其特定手性。長期以來，化學家們一直利用手性現象在不同尺度下構築手性結構，並賦予其獨特的生物、催化等性能。在分子層次，存在同時具有環和手性兩個特徵的結構，例如具有手性碳的環烷烴結構，其呈現出船型或椅型的構象特徵；在拓撲學中，具有奇特性能的莫比烏斯環也是一種同時具有環和手性特徵的結構。
  • 科學家在實驗室首次造出無質量外爾費米子—新聞—科學網
    科技日報北京7月17日電 （記者劉霞）1929年，德國物理學家魏爾曼·外爾首次提出，存在著一種無質量的新粒子——外爾費米子（Weyl fermion）。
  • 中國科學家發現外爾費米子 可用於手機電池和量子計算機
    中國科學家今日公布的成果顯示，他們成功捕捉到一種困擾物理學家近一個世紀的「幽靈粒子」——外爾費米子（Weyl費米子）。至於有什麼用？這項成果可以解決手機待機時間短的問題，比如，可以實現手機電池一年充一次電。 科學家把基本粒子分為玻色子和費米子兩大類，費米子是組成物質的基本粒子。外爾費米子被稱為預言中的奇特粒子，是當今凝聚態物理最前沿的研究對象之一。如今，被中國學家證實了。
  • 為電子拓撲態研究開闢新方向 中國科學家發現新型費米子
    固體材料中實驗發現的三種費米子：四重簡併的狄拉克費米子（左）、兩重簡併的外爾費米子（中）、三重簡併的新型費米子（（資料圖片）　　最近，中國科學院物理研究所的科研團隊在拓撲物態研究領域取得重大突破，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。這一成果於日前在線發表在《自然》期刊上。　　組成宇宙的基本粒子可分為波色子和費米子。現有理論認為，宇宙中可能存在3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。
  • 科學家發現第二類Weyl費米子—新聞—科學網
    左：標準I型Weyl的費米子能態 右：新發現的II型Weyl的費米子
  • 理論預言並實驗發現固體中的無質量費米子態丨物理所入選「率先...
    今天為大家介紹面向世界科技前沿的「理論預言並實驗發現固體中的無質量費米子態」成果進展。實驗發現外爾費米子1929年德國科學家外爾Weyl提出——存在一種無「質量」的可以分為左旋和右旋兩種不同「手性」的電子，這種電子被稱為「外爾費米子」。但是歷經80多年，科學家們一直沒有能夠找到外爾費米子存在的證據。
  • 新型「分手」利器可高效分離手性分子—新聞—科學網
    南開大學藥學院研究員陳瑤課題組與該校化學學院教授張振傑、美國南佛羅利達大學教授馬勝前合作，利用生物分子誘導的策略設計合成了一類手性共價有機框架材料，並將其成功應用於多種藥物、胺基酸等小分子的手性分離。該材料具有造價低、效率高、普適性強等特點，具有完全自主智慧財產權，作為新型「分手」利器，它將大幅降低手性藥物的生產成本。相關研究結果日前在線發表於《德國應用化學》。
  • 科學網—發現狄拉克半金屬手性反常現象
    本報訊（記者黃辛 通訊員盧曉璐）復旦大學物理學系教授修發賢課題組在拓撲半金屬砷化鎘納米片中成功實現手性反常的能谷非局域輸運
  • 中科院被《科學》拒稿,讓普林斯頓「先」發現了外爾費米子?
    過去幾天，一則中國科學家發現「外爾費米子」的消息在媒體引起關注，更有媒體聲稱，該發現能實現智慧型手機一年充一次電（此為誇大，下文將作解釋）。而在這一重大發現的背後，又一樁科學公案正在發酵。 7月16日，《科學》雜誌在線發表了美國普林斯頓大學物理學家扎伊德·哈桑團隊的實驗成果，該研究團隊宣布他們在「外爾半金屬」中發現了「外爾費米子」。
  • 理論預言並實驗發現固體中的無質量費米子態丨物理所入選「率先行動」第一階段成果進展
    理論預言，由於外爾費米子態的存在，外爾半金屬會呈現出諸多新奇的物理現象，比如在體能帶結構中成對出現，具有相反手性的外爾錐；在晶體表面上有連接兩個外爾點表面投影的開放的費米面，即費米弧。此外，由於不同手性外爾費米子互相分離，會導致奇特的手性反常效應。所謂手性反常，是指材料中具有某種確定手性的電子的數量在某些條件下不守恆。
  • 中國科學家首次觀測到三重簡併費米子
    [video:20170621我國科學家發現新型費米子0]物理所陳根富研究組製備出TaAs單晶樣品，丁洪、錢天研究組在上海光源「夢之線」和瑞士保羅謝勒研究所的實驗站上觀測到了TaAs晶體中的外爾費米子。外爾費米子的發現入選了美國物理學會評選的2015年國際物理學八大亮點、英國物理學會評選的2015年物理世界十大突破、2015年中國科學十大進展和2015年中國十大科技進展新聞。
  • 理論預言並實驗發現固體中的無質量費米子態丨物理所入選「率先行動」第一階段成果進展
    今天為大家介紹面向世界科技前沿的「理論預言並實驗發現固體中的無質量費米子態」成果進展。1929年德國科學家外爾Weyl提出——存在一種無「質量」的可以分為左旋和右旋兩種不同「手性」的電子，這種電子被稱為「外爾費米子」。但是歷經80多年，科學家們一直沒有能夠找到外爾費米子存在的證據。
  • 科學家發現手性晶體表現出奇異的量子效應
    一個國際研究小組發現某些類型的晶體具有不對稱性，如生物「手性」，稱為手性晶體，可能含有以意想不到的方式表現的電子。現在，通過使用晶體的群論，Hasan的團隊已經確定手性晶體能夠容納新形式的Weyl費米子 - 這些電子的共同表現就像它們是無質量的 - 他們稱之為「手性費米子」。團隊應用這些對手性晶體的想法，並發現其電子，光學和拓撲行為的意外結果，提示「拓撲手性晶體」的名稱。研究人員進一步驚訝地發現這些拓撲手性晶體可以表現出獨特的現象，如大費米弧和電子自旋這些集體表現得像磁單極子。