自2014年「率先行動」計劃實施以來，物理所以深化科技體制改革為動力，堅持以「三個面向」、基本實現「四個率先」為目標，系統謀劃和推進研究所「一三五」規劃。超導、拓撲、納米、表面、極端條件等多個學科走在了世界科技最前沿，磁學、光學、先進材料、清潔能源等諸多領域為國民經濟發展提供了有力的支撐；除了聚焦基礎前沿問題，紮根中關村外，物理所還積極參與北京科創中心懷柔科學城、粵港澳大灣區科創中心松山湖材料實驗室以及長三角研究中心建設，為科技強國建設做出了重要的貢獻。
近日，在系統梳理「率先行動」計劃第一階段眾多科技成果基礎上，中科院按照「三個面向」凝練歸納出59項重大科技成果及標誌性進展，由中科院物理所主要完成的三項成果同時入選。
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。但是近十多年來，拓撲絕緣體，尤其是拓撲半金屬等新奇量子態研究的快速發展為在凝聚態體系中實現和觀測外爾費米子的準粒子提供了新的思路。其中備受矚目的就是找到真實的外爾半金屬材料。當兩個自旋非簡併的能帶在費米能級附近線性交叉時，其低能準粒子激發態與外爾費米子的行為一致，這類材料體系被稱為外爾半金屬。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。直觀的說，就是當外加的磁場平行於電場時，在磁場不是很大的情況下，體系的電阻隨磁場的增加迅速的減少，即負的磁電阻現象。外爾費米子這些優異的性質使其在新型電子器件開發和拓撲量子計算等領域有著廣泛的潛在應用前景。
如何找到合適的外爾半金屬材料體系是一個極具挑戰性的科學問題，也是該領域國際競爭的焦點之一。突破來自狄拉克半金屬材料理論預言與實驗證實，人們在這類拓撲半金屬裡實現了無質量的狄拉克電子態。自然希望通過解除其狄拉克錐上的自旋簡併，使其劈裂成手性的外爾錐，從而將其調製為外爾半金屬。這一過程可以通過破缺時間或空間反演對稱性來實現。按照這一思路，眾多理論和實驗工作迅速開展。然而，這些理論預言大多是通過引入磁性原子破壞時間反演對稱性或者通過連續摻雜調控組分及能帶結構實現外爾電子態。體系中磁性原子帶來的磁疇以及雜質原子對平移對稱性的破壞無疑會嚴重阻礙實驗上對外爾費米子本徵性質的研究。
2014-2015年，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室（籌）（以下簡稱「物理所」）翁紅明、方忠、戴希及其合作者，通過第一性原理計算，首次理論預言TaAs家族材料是外爾半金屬。與之前的理論預言不同，TaAs這類材料通過破缺空間反演對稱性實現外爾電子態，並且無需進行摻雜等細緻繁複的調控有利於實驗的驗證。這一結果立刻引起了實驗物理學家的重視，許多研究組開始了競賽般的實驗驗證工作。
其中，物理所陳根富小組首先製備出了高質量TaAs晶體，丁洪小組的錢天副研究員與呂佰晴博士生利用上海光源「夢之線」ARPES實驗站立即對TaAs（001）表面電子態進行了高精度測量。通過與翁紅明、戴希、方忠緊密合作，結合第一性原理計算結果，證實了表面費米弧的存在，並且確定了費米弧與外爾點在（001）表面投影的連接方式，提供了TaAs材料外爾電子態的直接實驗證據。
圖1 實驗和計算獲得的TaAs (001)表面態費米弧
圖2 TaAs體態外爾點和表面態費米弧的關係
隨後，丁洪小組及其瑞士保羅謝勒研究所的合作者進一步測量了TaAs體電子態，直接觀測到外爾點及其附近的三維狄拉克錐，提供了進一步的實驗證據。與此同時，陳根富小組的博士生黃筱淳和趙凌霄同學通過精確的電輸運測量，首次在TaAs單晶中觀測到了由手性反常導致的負磁阻效應，進一步從輸運的角度證明了外爾費米子的存在。在該實驗過程中，呂力研究員給予了極大幫助。
圖3 TaAs的負磁阻現象
以上一系列工作是自1929年外爾費米子被提出以來，首次在凝聚態物質中證實存在外爾費米子態，具有非常重要的科學意義。
繼「外爾費米子」之後，物理所的科研團隊在拓撲物態研究領域又取得了重大突破，首次觀測到三重簡併費米子，為固體材料中電子拓撲態研究開闢了新的方向。
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。
2016年4月，物理所翁紅明、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（圖4和圖5a）。
圖4：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）。
物理所石友國指導博士生馮子力迅速製備出碳化鎢家族中的MoP（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MoP的電子結構，觀測到其中的三重簡併點，與翁紅明指導博士生許秋楠的計算結果高度吻合，首次實驗證實突破傳統分類的三重簡併費米子。
圖5：（a）四重、三重和兩重簡併點的能帶示意圖，在這些簡併點附近的準粒子分別是狄拉克費米子、三重簡併的新費米子和外爾費米子。紅色或藍色的直線代表非簡併的能帶，紅藍交替的直線代表兩重簡併的能帶。（b）MoP的晶體結構。（c-e）實驗測量的布裡淵區三個方向C1、C2、C3的能帶色散。（f-h）相應的能帶計算結果。（i）C1、C2、C3在布裡淵區中的位置，其中C1和C3穿過三重簡併點（紅色圓點）。（j）從實驗中提取出的能帶色散構成的三維圖。
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。物理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MoP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。
「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。
物理所預言並實驗發現外爾費米子和三重簡併費米子的存在，開闢了探索新型費米子的新途徑。這兩項成果先後獲得國際、國內的認可。固體中發現外爾費米子入選英國物理學會主辦的《物理世界》「2015 年十大突破」、美國物理學會2015年「八大標誌性進展」，2018年入選美國物理學會125周年紀念論文集，是收錄的49項重要科學成就中唯一來自中國本土的工作。首次觀測到三重簡併費米子入選2017年度「中國科學十大進展」和「中國十大科技進展新聞」。
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[6] B. Q. Lv et al., Nature 546, 627 (2017)
編輯：米老貓
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