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

2020-11-25 中國經濟網

　　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（右）。（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。狄拉克費米子已經被發現，大家所熟知的電子、質子、中子等就是狄拉克費米子。

　　在固體中，眾多電子受到周期性晶格和電子—電子間相互作用的影響而表現出不同於單個自由電子的集體行為。這樣的集體行為可以看作是一個假想的新粒子，即所謂的準粒子。不同固體中電子的準粒子可以表現出不同的基本粒子行為，是基本粒子在固體中的「影子」。

　　人們首先在固體中發現對應於無質量狄拉克費米子的準粒子。2012年，中國科學院物理研究所方忠、戴希、翁紅明研究組理論預言在Na3Bi中存在無「質量」的三維狄拉克費米子，隨後得到實驗證實。2015年，他們又預言TaAs家族材料中存在外爾費米子，隨後也得到實驗證實。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8大亮點。

　　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的一個挑戰性前沿科學問題。

　　2016年4月，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。

　　隨後，物理所研究人員迅速製備出碳化鎢家族中的MoP（磷化鉬）單晶樣品，並在上海光源「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MoP的電子結構，首次實驗發現突破傳統分類的三重簡併費米子。

　　「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。（經濟日報記者 佘惠敏）

（責任編輯：梁靖雪）

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