中国科学家发现新型费米子

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中国经济网6月20日电(记者佘惠民)继“拓扑绝缘体”、“量子反常霍尔效应”和“瓦尔费米子”之后，中国科学院物理研究所的研究团队最近在拓扑态研究领域取得了重大突破，首次发现了一种突破传统分类的新型费米子——三重简并费米子，为固体材料中电子拓扑态的研究开辟了新的方向。这项研究结果发表在2017年6月19日的《自然》杂志上。从理论预测、样品制备到实验观察的整个过程是由中国科学家独立完成的。本文作者是中国科学院物理研究所研究员、、石，第一作者是陆(实验观察)、(样品制备)和许(理论计算)。

固体材料中发现的三种费米子:四重简并狄拉克费米子(左)、双简并外费米子(中)和三重简并新费米子(右)

构成宇宙的基本粒子可以分为玻色子和费米子。现有的理论认为宇宙中可能存在三种费米子，即狄拉克费米子、威尔费米子和马略拉纳费米子。狄拉克费米子已经被发现，而众所周知的电子、质子和中子是狄拉克费米子，而外层费米子和马约拉纳费米子在高能物理或粒子物理实验中尚未被观测到。

另一方面，固体中的许多电子受到周期性晶格和电子-电子相互作用的影响，表现出不同于单个自由电子的集体行为。这种集体行为可以被视为一种想象中的新粒子，即所谓的准粒子。不同固体中的电子准粒子可以表现出不同的基本粒子行为，这就是固体中基本粒子的“影子”。

对应于无质量狄拉克费米子的准粒子首先在固体中发现。2012年，中国科学院物理研究所的、戴、翁红明从理论上预测na3bi中不存在“高质量”的3D狄拉克费米子，并随后通过实验进行了验证。2015年，他们预测在taas族材料中存在外费米子。物理研究所的陈根福研究小组制备了taas单晶样品，丁洪和前田的研究小组在上海光源的“梦想线”和瑞士保罗·舍勒研究所的实验站观察了taas晶体中的外费米子。Wilfermion的发现被美国物理学会评为2015年国际物理学八大亮点，被英国物理学会评为2015年物理世界十大突破，被中国评为2015年十大科学进步，被中国评为2015年十大科技进步新闻。

与时间空连续宇宙空不同，电子所处的“固体宇宙”仅满足不连续分离空之间的对称性，这可能导致传统理论中所没有的东西。寻找新的费米子是近年来拓扑态领域中一个具有挑战性的前沿科学问题，也是该领域国际竞争的焦点之一。

2016年4月，物理研究所的翁红明、、戴、预测，在一类具有碳化钨晶体结构的材料中存在三重简并电子态，它们的准粒子是三重简并费米子，不同于四重简并和双简并外费米子。

在物理研究所的师的指导下，博士生很快地在碳化钨族中制备了一种mop(磷化钼)单晶样品。与指导的博士生陆在上海光源“梦想线”和瑞士保罗·舍勒研究所进行了几个月的实验测量，成功地解决了mop的电子结构问题，与翁红明指导的博士生许的计算结果高度一致。第一个实验发现了突破传统分类的三重简并费米子。

翁红明等人的理论工作还指出，三重简并费米子态不同于狄拉克费米子和外费米子态，它对外加磁场的方向敏感，这使得含有它的母体材料具有依赖于磁场方向的输运性质。最近，物理研究所的陈根福研究小组观察到了与狄拉克半金属和瓦尔半金属明显不同的碳化钨中的方向相关输运行为，随后德国马克斯·普朗克研究所的科学家观察到了mop中极低的电阻行为，这可能是这种新型费米子的独特性能。

对“固体宇宙”中新粒子的研究才刚刚开始，这对促进人们对电子拓扑状态的理解、发现新的物理现象、开发新的电子器件以及深入了解基本粒子的性质具有重要意义。

(编辑:张学)