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

聽說過「上帝粒子」，那你聽說過「幽靈粒子」嗎？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。

7月20日，中國科學院物理研究所發布消息：他們發現了具有「手性」的電子態——外爾費米子。這是國際上物理學研究的一項重要科學突破，對「拓撲電子學」和「量子計算機」等顛覆性技術的突破具有非常重要的意義。物理所表示，中國科學家的這一發現，從材料理論預言到實驗觀測都是獨立完成。

1929年，德國數學家、物理學家赫爾曼·外爾（H. Weyl）最先提出了這種無質量（即線性色散）的粒子——外爾費米子——無質量電子可以分為左旋和右旋兩種不同「手性」。但是86年來實驗從未觀測到。　

為了能夠找到它，全世界的科學家爭相創造可能存在外爾費米子的人工環境。

中科院物理所戴希研究員在博客上表示，他的同事翁紅明等人年初找到了鉭砷晶體（TaAs）等四種非磁性的外爾半金屬材料，是取得進展的關鍵。翁紅明在接受採訪時說：「你可以將外爾費米子想像成一個極小的、只有一個磁極的磁棒。」

翁紅明說，在自然界中，無論你將磁鐵切割成多小，它始終都帶有南北兩個磁極，磁場在磁極之間流動。作為僅有一個磁極且沒有質量的粒子，外爾費米子能夠完成諸多當前科技不可企及的任務。

翁紅明告訴科技日報記者：「TaAs材料在1960年代就有研究文章，但沒有人意識到上面有外爾費米子。我們這一發現的難度在於，從那麼多材料中找到合適的，猶如大海撈針，必須對外爾費米子和材料物理性質都有相當認識才行。」

2012年和2013年，中科院物理所的理論研究團隊首次預言在狄拉克半金屬中可實現無「質量」的電子。

翁紅明的發現2014年12月31日提交電子預印本（Arxiv）網站後，這一結果立刻引起了實驗物理學家的重視，國際上許多研究組開始了競賽般的實驗驗證工作。中科院物理所，北京大學，美國普林斯頓大學等團隊都試圖在TaAs中找到外爾費米子。

德國數學家、物理學家赫爾曼·外爾

這是一場激烈競爭。普林斯頓大學團隊和中科院物理所團隊幾乎同時宣布成功。中科院物理所的最新成果將發表在最近一期《自然·物理》雜誌上。

英國皇家化學協會網站7月16日報導說：「有兩個國際研究組聲稱發現了電子學的基本建築單元——外爾費米子。」

中科院物理所的陳根富小組首先製備出了具有原子級平整表面的大塊TaAs晶體，而外爾費米子就藏身於這種晶體中。隨後物理所丁洪小組利用上海光源「夢之線」的同步輻射光束照射TaAs晶體，使得外爾費米子80多年後第一次展現在科學家面前。

外爾費米子的發現將極大地推進未來技術的發展，據介紹，具有「手性」的外爾費米子的半金屬能實現低能耗的電子傳輸，有望解決當前電子器件小型化和多功能化所面臨的能耗問題。同時外爾費米子也受到對稱性的保護，可以用來實現高容錯的拓撲量子計算，製造比現在的超級計算機運行速度更快的量子計算機。

當前的電子設備充電套路是電子流通過電線和電路進入設備。這些粒子不僅笨重、不易控制，還會導致能量流失。如果我們用外爾費米子將之置換掉，一個費米子裝置就能夠保證電流幾乎不流失，並且能保證在幾乎不損耗能源的情況下完成高功率計算。

含有外爾費米子的材料能夠充當超導體，因而也可應用到量子物理學領域。這種材料能夠保持長時間的量子態，而不受或很少受到外部世界的影響，這使它成為打造一臺實用、高容錯量子計算機的熱門材料。

製造這樣一臺設備所面臨的最大挑戰就是過去曾被用來進行量子計算的光子等粒子的量子態所具有的脆弱性。電磁幹擾或物理幹擾可以輕鬆地導致粒子失去或改變量子態，並打亂它們本應進行的計算。

翁紅明說：「不幸的是，外爾費米子這樣精美的粒子並不存在於我們的三維世界裡。只能在另一個與我們這個世界『相反』的世界裡尋到它的芳蹤。」

「不是通過大型粒子加速器，而是簡單地在晶體裡發現了新的粒子現象。這或許對其他實驗有啟發：凝聚態物理裡，通過一些低能激發，可能產生高能物理範圍的粒子行為。」翁紅明說，下一步他們將試著尋找「拓撲超導」等新物理現象。

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中外物理學家的科學競賽——「外爾費米子」的發現之爭

外爾費米子，是當今凝聚態物理最前沿的研究對象之一。

7月18日，一則消息引起中科院物理所研究員戴希的注意。消息稱，普林斯頓大學物理學家扎伊德·哈桑領導的團隊首次通過實驗，在外爾半金屬中造出了外爾費米子。

事實上，在戴希看來，是以中科院物理所為主的中國科學家首次通過理論計算發現這種半金屬，也是中國科學家首次通過角分辨光電子能譜發現了外爾費米子的存在。

戴希在這條消息下的評論中，認為這場風波屬於「科學界的競爭」，是尋找「外爾費米子」的科學競賽。

實驗：激烈的國際競爭

在物理學界，一個通過理論推導和公式推算出的結論必須通過實驗驗證才能被承認。中科院物理所副研究員翁紅明告訴《中國科學報》記者：「沒有實驗證實，便不能稱之為『發現』。」

提到「外爾費米子」理論，則要追溯到1928年，狄拉克提出描述相對論電子態的狄拉克方程。1929年，德國科學家外爾（H. Weyl）指出，狄拉克方程質量為零的解描述的是一對重疊在一起的具有相反手性的新粒子，這就是「外爾費米子」。

但是，80多年以來，科學家一直沒有在實驗中「發現」外爾費米子。直到2015年1月初，依據中科院物理所研究員方忠帶領的研究組的理論預言和材料計算結果，中科院物理所陳根富小組製備出了具有原子級平整表面的大塊砷化鉭（TaAs）晶體，中科院物理所丁洪小組利用他們不久前在上海光源建成的「夢之線」角分辨光電子能譜實驗站上對TaAs晶體進行測量，首次觀測到外爾費米子的特徵性現象——表面費米弧。

該實驗小組成員錢天告訴《中國科學報》記者：「通過『夢之線』探測從材料中激發出來的電子的能量和動量，就能反推出晶體材料的電子結構。」只要觀測到費米弧，就能斷定外爾費米子的存在，即從實驗上「發現」了這種奇特的粒子。

2月16日，這個實驗小組在物理學界知名的學術交流網站arXiv上，公開了費米弧的發現，宣布外爾費米子被發現，中國科學家領銜的團隊被認為揭開了80多年來的世界之謎。

「arXiv網站是物理學界影響力非常大的學術交流網站，其張貼文章的高質量使這家網站在谷歌學術評價上的影響因子甚至超過了許多傳統學術期刊。」翁紅明說。

幾乎同時，美國麻省理工學院以及普林斯頓大學教授哈桑的兩個實驗小組也在arXiv網站上公開了類似的研究成果。

2月17日，丁洪研究小組把這項學術成果提交給了《科學》雜誌。然而，7月16日，《科學》雜誌在線刊登了哈桑小組和麻省理工學院的研究成果，而中國科學家的論文被意外拒稿。哈桑在電子郵件中回復《中國科學報》記者：「我們將實驗成果向《科學》雜誌投稿，審稿中沒有收到修改意見。」

值得慶幸的是，目前該論文在未作修改的情況下被在物理學界極具影響力的《物理評論X》接受發表。隨後，丁洪研究小組又在瑞士光源觀測到TaAs中的外爾點及其附近的四維外爾錐，這是外爾半金屬的另一個根本特性，該研究成果也即將在國際知名刊物上發表。

理論：中國人的原創

在理論上，中國科學家的原創工作更毋庸置疑。正是中國科學家在拓撲半金屬領域中開創性的理論工作，為外爾費米子的產生和觀測提供了新的思路和途徑。

根據此前的理論研究，外爾費米子可能在「外爾半金屬」中被觀察到，科學家一直致力於尋找外爾半金屬。

2011年，南京大學物理學院教授萬賢綱與幾名國際研究者合作，通過理論計算預言一種複雜磁結構的銥氧化物可能是外爾半金屬。同年，中科院物理所方忠、戴希團隊也預言鐵磁尖晶石HgCr2Se4也可能是外爾半金屬。但是由於磁性材料的複雜性，這兩個理論預言的實驗驗證都變得非常困難。

為此，長期從事理論計算的中科院物理研究所方忠研究組一直想尋找一種非磁外爾半金屬。2012年、2013年兩年裡，他們及合作者先後從理論上預言鈉三鉍晶體（Na3Bi）和三砷化二鉻晶體（Cd3As2）是狄拉克半金屬，裡面存在三維無質量狄拉克電子，由一對重疊在一起的具有相反手性的「外爾費米子」構成。

2014年，他們跟實驗組合作，先後發表一篇《科學》和《自然—材料》論文，證實了理論預言，被稱為首次發現「三維版本的石墨烯」。這為實現相互分離的手性外爾費米子邁出了關鍵性的一步，而且使拓撲半金屬領域的實驗研究成為可能，極大推動了拓撲半金屬領域的進展。

該理論團隊成員翁紅明從發表於1965年的一篇實驗文獻中受到啟發，並通過第一性原理計算，初步認定砷化鉭（TaAs）晶體等同結構家族材料可能是外爾半金屬。這類材料能夠合成，並且沒有磁性，打破了中心對稱，是實驗製備、檢測都非常便捷的絕佳材料。

經過跟戴希、方忠等合作者進行了數月的周密計算和數學證明後，他們更加確認這一結論。2014年12月31日，他們將此理論預言在arXiv網站率先向全世界公開。該成果立即受到同行的關注，包括中科院物理所、北京大學、普林斯頓大學等在內的國際上眾多實驗小組都投入到了競賽般的實驗驗證工作中。這項理論成果於今年3月17日在《物理評論X》雜誌正式發表。

1月5日，中科院物理所的研究團隊收到了來自哈桑小組的一封信。信中告知，他們也有類似的工作，並也將當時尚未發表的論文張貼在arXiv網站上。

哈桑給《中國科學報》記者的回信中，強調了這篇論文的重要性，並稱「這篇論文於2014年11月提交給《自然—通訊》雜誌，比中國科學家的結果早很多」。

記者調查後發現，這篇論文在2015年4月30日才被期刊正式接收，最終在2015年6月12日刊發。這已經是在中科院物理所團隊的工作發表近3個月之後。翁紅明表示：「哈桑小組在這篇文章中使用了我參與開發的計算軟體包，並引用了以我為第一作者於2009年發表的一篇文章。」

在一名不願透露姓名的該領域研究者看來，哈桑的這篇理論預測文章，更像是「憑空冒出」，「甚至沒有給出嚴格的數學證明，僅僅是一個預言。」這名研究者表示，加上兩項研究在arXiv網站公布的先後順序，讓人不禁懷疑，哈桑小組的工作是否完全獨立。

思考：如何贏得全局

在國際同行眼中，中國科學家的這一發現，從材料理論預言到實驗觀測都是獨立完成。

早在今年2月底，三個小組公布發現外爾費米子時，美國加州大學伯克利分校Ashivin Vishwanath教授便在Journal Club for Condensed Matter Physics以「實驗觀測外爾半金屬」為主題，對三家獨立實驗工作進行評述。

今年7月16日，英國皇家化學協會的Chemistry World在獲知美國《科學》雜誌接受了兩個美國小組的工作後，則作為第三方科學媒體報導了包括我國科學家的工作在內的三家各自的獨立發現。

對於在基礎科學領域搶佔先機，中國科學家也在這件事上有了新的體會。錢天指出，首先，要加快建設我國自己的大科學裝置。「我國大科學裝置起步較晚，十多年前，還處在購買商業設備開展測量的水平。」他說。

2014年8月，中科院啟動「率先行動」計劃，具體改革措施之一，便是啟動研究所分類改革，其中包括大科學中心。在這項改革的大框架下，於去年10月底建成的上海光源的「夢之線」在發現外爾費米子的實驗中立下汗馬功勞。目前，「夢之線」的各項技術指標處於世界先進行列。

此外，也有學者指出，應當辦好我國自己優秀的學術期刊，如果我國在相關領域也有影響力大的高水平學術期刊，中國科學家的學術成果發表便不再受制於人，雖然科學成果的重要性並不依賴於最終發表的期刊。