丁洪講述：中國(guó)科學(xué)家獨(dú)立發(fā)現(xiàn)新型費(fèi)米子背后
?固體材料中實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的三種費(fèi)米子：四重簡(jiǎn)并的狄拉克費(fèi)米子（左）、兩重簡(jiǎn)并的外爾費(fèi)米子（中）、三重簡(jiǎn)并的新型費(fèi)米子（右）。圖片來(lái)源：中科院物理所
編者按：
近日，繼“拓?fù)浣^緣體”、“量子反?；魻栃?yīng)”、“外爾費(fèi)米子”之后，中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（籌）宣布，相關(guān)科研團(tuán)隊(duì)在拓?fù)湮飸B(tài)研究領(lǐng)域又取得了重大突破——首次觀測(cè)到三重簡(jiǎn)并費(fèi)米子，該成果為固體材料中電子拓?fù)鋺B(tài)研究開(kāi)辟了新的方向。這一研究成果于2017年6月19日在線發(fā)表在《自然》（Nature）。值得一提的是，該項(xiàng)研究從理論預(yù)言、樣品制備、到實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的全過(guò)程，都由中國(guó)科學(xué)家獨(dú)立完成。
《知識(shí)分子》聯(lián)系到了論文的通訊作者、北京凝聚態(tài)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（籌）首席科學(xué)家丁洪教授，請(qǐng)他回顧了三重簡(jiǎn)并費(fèi)米子的發(fā)現(xiàn)過(guò)程。
撰文 | 呂浩然
責(zé)編 | 陳曉雪
● ● ●
量子物理告訴我們，組成宇宙的基本粒子可分為玻色子和費(fèi)米子。現(xiàn)有的理論認(rèn)為宇宙中可能存在三種類(lèi)型的費(fèi)米子，即狄拉克（Dirac）費(fèi)米子、外爾（Weyl）費(fèi)米子和馬約拉納（Majorana）費(fèi)米子。
在費(fèi)米子家族中，四重簡(jiǎn)并的狄拉克費(fèi)米子已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)，大家所熟知的電子、質(zhì)子、中子等粒子都是狄拉克費(fèi)米子，而在凝聚態(tài)材料中兩重簡(jiǎn)并的外爾費(fèi)米子也在2015年被中國(guó)科學(xué)家和美國(guó)科學(xué)家同時(shí)獨(dú)立地觀測(cè)到，僅馬約拉納費(fèi)米子還未正式被確切證實(shí)。
科學(xué)家們不僅在我們身處的真實(shí)宇宙中尋找費(fèi)米子的蹤跡，也將視線瞄準(zhǔn)了固體的內(nèi)部。實(shí)際上，人們身處的真實(shí)宇宙與固體內(nèi)部有很多類(lèi)似的性質(zhì)，“但另一方面，固體中眾多的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(xiàn)出不同于單個(gè)自由電子的集體行為”，中國(guó)科學(xué)院物理研究所（簡(jiǎn)稱(chēng)為“中科院物理所”）研究員、北京凝聚態(tài)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（籌）首席科學(xué)家丁洪介紹說(shuō)，這種現(xiàn)象也與真實(shí)宇宙有所區(qū)別，可比喻成“固體宇宙”內(nèi)的特殊現(xiàn)象。而這樣的集體激發(fā)可以看作是一個(gè)假想的新粒子，即所謂的準(zhǔn)粒子。不同固體中電子的準(zhǔn)粒子可以表現(xiàn)出不同的粒子行為，是基本粒子在固體中的“影子”。世界各地的科學(xué)家也一直在努力尋找這些影子，試圖窺見(jiàn)粒子物理領(lǐng)域更深層的知識(shí)。
人們首先在固體中發(fā)現(xiàn)對(duì)應(yīng)于無(wú)質(zhì)量狄拉克費(fèi)米子的準(zhǔn)粒子。2012年，中科院物理所方忠、戴希、翁紅明研究組理論預(yù)言在Na3Bi（鉍化三鈉）中存在無(wú)“質(zhì)量”的三維狄拉克費(fèi)米子，隨后得到實(shí)驗(yàn)證實(shí)。2015年，他們又預(yù)言TaAs（砷化鉭）家族材料中存在外爾費(fèi)米子。物理所陳根富研究組制備出TaAs單晶樣品，隨后，丁洪、錢(qián)天研究組在上海光源“夢(mèng)之線”和瑞士保羅謝勒研究所的實(shí)驗(yàn)站上觀測(cè)到了TaAs晶體中的外爾費(fèi)米子。
“固體宇宙”中的新型費(fèi)米子
與時(shí)空連續(xù)的宇宙空間不同，丁洪指出，“固體宇宙”的一些特殊屬性也引起了科學(xué)家們的注意：真實(shí)的宇宙是連續(xù)的、不分隔的，而“固體宇宙”與則是被一個(gè)一個(gè)晶格等結(jié)構(gòu)分隔開(kāi)的，只滿足不連續(xù)的分離空間對(duì)稱(chēng)性；真實(shí)宇宙具有光速不變性，但在固體中宇宙光速不變?cè)韰s失效了；固體宇宙中存在著230種已知的點(diǎn)群，就可以近似的認(rèn)為有230種“固體宇宙”存在。
種種特殊的性質(zhì)讓科學(xué)家們提出假設(shè)：“固體宇宙”中可能存在傳統(tǒng)理論中所沒(méi)有的新型費(fèi)米子，而尋找新型費(fèi)米子則成為近年來(lái)拓?fù)湮飸B(tài)領(lǐng)域一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的前沿科學(xué)問(wèn)題，也是該領(lǐng)域國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)之一。
2016年4月，翁紅明、方辰、戴希、方忠等預(yù)言在一類(lèi)具有WC（碳化鎢）晶體結(jié)構(gòu)的材料中存在三重簡(jiǎn)并的電子態(tài)，其準(zhǔn)粒子就是三重簡(jiǎn)并費(fèi)米子，是不同于四重簡(jiǎn)并的狄拉克費(fèi)米子和兩重簡(jiǎn)并的外爾費(fèi)米子的新型費(fèi)米子。
“以這個(gè)預(yù)言為基點(diǎn)，我們開(kāi)始尋找可能存在三重簡(jiǎn)并電子態(tài)的材料。碳化鎢雖然具有三角形的晶格，但其熔點(diǎn)高、硬度大，操作起來(lái)比較困難”，丁洪介紹。
隨后，中科院物理所研究員石友國(guó)指導(dǎo)其博士生馮子力迅速制備出碳化鎢家族中的另一成員——MoP（磷化鉬）單晶樣品，丁洪和同為中科院物理所研究員的錢(qián)天指導(dǎo)博士生呂佰晴，在上海光源“夢(mèng)之線”和瑞士保羅謝勒研究所經(jīng)過(guò)幾個(gè)月的實(shí)驗(yàn)測(cè)量，通過(guò)測(cè)定角分辨電子能譜的方式成功解析出MoP的能帶結(jié)構(gòu)，觀測(cè)到了其中的三重簡(jiǎn)并點(diǎn)，這與翁紅明指導(dǎo)的博士生許秋楠的計(jì)算結(jié)果高度吻合，首次實(shí)驗(yàn)證實(shí)突破傳統(tǒng)分類(lèi)的三重簡(jiǎn)并費(fèi)米子的存在。
丁洪介紹，此次發(fā)現(xiàn)的三重簡(jiǎn)并費(fèi)米子具有它的特殊性：從簡(jiǎn)并點(diǎn)的能帶示意圖上看，四重簡(jiǎn)并的狄拉克費(fèi)米子，能帶兩兩重合，并具有一個(gè)簡(jiǎn)并點(diǎn)；兩重簡(jiǎn)并的外爾費(fèi)米子能帶兩兩不重合，具有兩個(gè)簡(jiǎn)并點(diǎn)。“而此次發(fā)現(xiàn)的三重簡(jiǎn)并費(fèi)米子則有所不同，它具有一條重合的能帶和兩條不重合的能帶，三條能帶兩兩相交，有兩個(gè)簡(jiǎn)并點(diǎn)”，丁洪說(shuō)。這也是在固體宇宙中一個(gè)非常特別的現(xiàn)象。
?四重、三重和兩重簡(jiǎn)并點(diǎn)的能帶示意圖，在這些簡(jiǎn)并點(diǎn)附近的準(zhǔn)粒子分別是狄拉克費(fèi)米子、三重簡(jiǎn)并的新費(fèi)米子和外爾費(fèi)米子。紅色或藍(lán)色的直線代表非簡(jiǎn)并的能帶，紅藍(lán)交替的直線代表兩重簡(jiǎn)并的能帶。
?能帶C1、C2、C3在布里淵區(qū)中的位置，其中C1和C3穿過(guò)三重簡(jiǎn)并點(diǎn)（紅色圓點(diǎn)）
不僅如此，翁紅明等人的理論工作還指出，三重簡(jiǎn)并費(fèi)米子態(tài)與狄拉克費(fèi)米子和外爾費(fèi)米子態(tài)不同，它對(duì)外加磁場(chǎng)的方向敏感，使得含有它的母體材料具有磁場(chǎng)方向依賴(lài)的輸運(yùn)性質(zhì)。近期中科院物理所陳根富研究組在碳化鎢中觀測(cè)到與狄拉克半金屬和外爾半金屬顯著不同的方向依賴(lài)輸運(yùn)行為，緊接著德國(guó)馬克斯-普朗克研究所的科學(xué)家在MoP中觀測(cè)到極低電阻行為，這些都有可能是這種新型費(fèi)米子的獨(dú)特表現(xiàn)。
此外，丁洪還提到，新發(fā)現(xiàn)的三重簡(jiǎn)并費(fèi)米子在強(qiáng)磁場(chǎng)的作用下，重合的那條能帶會(huì)“張開(kāi)”，進(jìn)而從三重簡(jiǎn)并費(fèi)米子變成四重簡(jiǎn)并的外爾費(fèi)米子。
劍指“馬約拉納”
隨著近年來(lái)研究的不斷深入，尋找“固體宇宙”中新型粒子的研究逐漸升溫，并一躍成為拓?fù)湮飸B(tài)領(lǐng)域的一個(gè)重要方向。丁洪指出，三重簡(jiǎn)并費(fèi)米子的發(fā)現(xiàn)對(duì)促進(jìn)人們認(rèn)識(shí)電子拓?fù)湮飸B(tài)，發(fā)現(xiàn)新奇物理現(xiàn)象，開(kāi)發(fā)新型電子器件，以及深入理解基本粒子性質(zhì)都具有重要的意義。
對(duì)于此次發(fā)現(xiàn)，丁洪將其歸功于各個(gè)環(huán)節(jié)的緊密配合，“從理論的提出，到隨后材料的選取、制備，再到運(yùn)用上海光源進(jìn)行測(cè)量和分析，各環(huán)節(jié)溝通、配合的非常緊密”。
未來(lái)，除了進(jìn)一步分析、研究三重簡(jiǎn)并費(fèi)米子的性質(zhì)，尋找更多可能存在的新型費(fèi)米子也是研究的重要方向。就在今年5月，丁洪和錢(qián)天副研究員指導(dǎo)博士生馬均章、呂佰晴在上海光源“夢(mèng)之線”對(duì)非簡(jiǎn)單空間群拓?fù)浣^緣體KHgSb（銻化鉀汞）的電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了細(xì)致的測(cè)量，觀測(cè)到沙漏型色散的表面態(tài)，提供了新型“沙漏費(fèi)米子”的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。
科學(xué)家們已經(jīng)成功發(fā)現(xiàn)了狄拉克費(fèi)米子、外爾費(fèi)米子以及新成員三重簡(jiǎn)并費(fèi)米子，丁洪介紹，但是馬約拉納費(fèi)米子的蹤影還比較難覓，“去年上海交通大學(xué)賈金鋒課題組宣布，通過(guò)巧妙的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，課題組率先觀測(cè)到了在渦旋中的由馬約拉納費(fèi)米子所引起的特有自旋極化電流，這項(xiàng)工作非常漂亮，但仍存在著一些疑問(wèn)”。丁洪表示，尋找到比較純凈的馬約拉納費(fèi)米子也是近年來(lái)科學(xué)家們競(jìng)相占領(lǐng)的高地。
根據(jù)丁洪的介紹，馬約拉納費(fèi)米子是一種中性自旋1/2粒子，它的反粒子就是它本身，同時(shí)它的零能束縛態(tài)是一種非常奇特的任意子，可以很穩(wěn)定地保持量子糾纏，這些特殊的屬性也使得馬約拉納費(fèi)米子成為拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)能否實(shí)現(xiàn)的一個(gè)關(guān)鍵。目前，世界范圍內(nèi)多個(gè)國(guó)家的科研機(jī)構(gòu)，甚至是谷歌、微軟、IBM等大型科技企業(yè)都在努力尋找馬約拉納費(fèi)米子，它也成為拓?fù)湮飸B(tài)領(lǐng)域乃至凝聚態(tài)物理的一大熱門(mén)，“我們也在這方面努力尋求突破”，丁洪說(shuō)。
參考文獻(xiàn)：
Lv, B. Q., et al. "Observation of three-component fermions in the topological semimetal molybdenum phosphide." Nature (2017).
制版編輯：斯嘉麗丨
