丁洪講述：中國科學(xué)家獨立發(fā)現(xiàn)新型費米子背后
?固體材料中實驗發(fā)現(xiàn)的三種費米子：四重簡并的狄拉克費米子（左）、兩重簡并的外爾費米子（中）、三重簡并的新型費米子（右）。圖片來源：中科院物理所
編者按：
近日，繼“拓?fù)浣^緣體”、“量子反?；魻栃?yīng)”、“外爾費米子”之后，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實驗室（籌）宣布，相關(guān)科研團隊在拓?fù)湮飸B(tài)研究領(lǐng)域又取得了重大突破——首次觀測到三重簡并費米子，該成果為固體材料中電子拓?fù)鋺B(tài)研究開辟了新的方向。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，該項研究從理論預(yù)言、樣品制備、到實驗觀測的全過程，都由中國科學(xué)家獨立完成。
《知識分子》聯(lián)系到了論文的通訊作者、北京凝聚態(tài)物理國家實驗室（籌）首席科學(xué)家丁洪教授，請他回顧了三重簡并費米子的發(fā)現(xiàn)過程。
撰文 | 呂浩然
責(zé)編 | 陳曉雪
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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米子。現(xiàn)有的理論認(rèn)為宇宙中可能存在三種類型的費米子，即狄拉克（Dirac）費米子、外爾（Weyl）費米子和馬約拉納（Majorana）費米子。
在費米子家族中，四重簡并的狄拉克費米子已經(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米子，而在凝聚態(tài)材料中兩重簡并的外爾費米子也在2015年被中國科學(xué)家和美國科學(xué)家同時獨立地觀測到，僅馬約拉納費米子還未正式被確切證實。
科學(xué)家們不僅在我們身處的真實宇宙中尋找費米子的蹤跡，也將視線瞄準(zhǔn)了固體的內(nèi)部。實際上，人們身處的真實宇宙與固體內(nèi)部有很多類似的性質(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)出不同于單個自由電子的集體行為”，中國科學(xué)院物理研究所（簡稱為“中科院物理所”）研究員、北京凝聚態(tài)物理國家實驗室（籌）首席科學(xué)家丁洪介紹說，這種現(xiàn)象也與真實宇宙有所區(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，試圖窺見粒子物理領(lǐng)域更深層的知識。
人們首先在固體中發(fā)現(xiàn)對應(yīng)于無質(zhì)量狄拉克費米子的準(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“質(zhì)量”的三維狄拉克費米子，隨后得到實驗證實。2015年，他們又預(yù)言TaAs（砷化鉭）家族材料中存在外爾費米子。物理所陳根富研究組制備出TaAs單晶樣品，隨后，丁洪、錢天研究組在上海光源“夢之線”和瑞士保羅謝勒研究所的實驗站上觀測到了TaAs晶體中的外爾費米子。
“固體宇宙”中的新型費米子
與時空連續(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：真實的宇宙是連續(xù)的、不分隔的，而“固體宇宙”與則是被一個一個晶格等結(jié)構(gòu)分隔開的，只滿足不連續(xù)的分離空間對稱性；真實宇宙具有光速不變性，但在固體中宇宙光速不變原理卻失效了；固體宇宙中存在著230種已知的點群，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)理論中所沒有的新型費米子，而尋找新型費米子則成為近年來拓?fù)湮飸B(tài)領(lǐng)域一個極具挑戰(zhàn)性的前沿科學(xué)問題，也是該領(lǐng)域國際競爭的焦點之一。
2016年4月，翁紅明、方辰、戴希、方忠等預(yù)言在一類具有WC（碳化鎢）晶體結(jié)構(gòu)的材料中存在三重簡并的電子態(tài)，其準(zhǔn)粒子就是三重簡并費米子，是不同于四重簡并的狄拉克費米子和兩重簡并的外爾費米子的新型費米子。
“以這個預(yù)言為基點，我們開始尋找可能存在三重簡并電子態(tài)的材料。碳化鎢雖然具有三角形的晶格，但其熔點高、硬度大，操作起來比較困難”，丁洪介紹。
隨后，中科院物理所研究員石友國指導(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天指導(dǎo)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(jīng)過幾個月的實驗測量，通過測定角分辨電子能譜的方式成功解析出MoP的能帶結(jié)構(gòu)，觀測到了其中的三重簡并點，這與翁紅明指導(dǎo)的博士生許秋楠的計算結(jié)果高度吻合，首次實驗證實突破傳統(tǒng)分類的三重簡并費米子的存在。
丁洪介紹，此次發(fā)現(xiàn)的三重簡并費米子具有它的特殊性：從簡并點的能帶示意圖上看，四重簡并的狄拉克費米子，能帶兩兩重合，并具有一個簡并點；兩重簡并的外爾費米子能帶兩兩不重合，具有兩個簡并點?！岸舜伟l(fā)現(xiàn)的三重簡并費米子則有所不同，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，有兩個簡并點”，丁洪說。這也是在固體宇宙中一個非常特別的現(xiàn)象。
?四重、三重和兩重簡并點的能帶示意圖，在這些簡并點附近的準(zhǔn)粒子分別是狄拉克費米子、三重簡并的新費米子和外爾費米子。紅色或藍(lán)色的直線代表非簡并的能帶，紅藍(lán)交替的直線代表兩重簡并的能帶。
?能帶C1、C2、C3在布里淵區(qū)中的位置，其中C1和C3穿過三重簡并點（紅色圓點）
不僅如此，翁紅明等人的理論工作還指出，三重簡并費米子態(tài)與狄拉克費米子和外爾費米子態(tài)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(zhì)。近期中科院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(xué)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(xiàn)。
此外，丁洪還提到，新發(fā)現(xiàn)的三重簡并費米子在強磁場的作用下，重合的那條能帶會“張開”，進而從三重簡并費米子變成四重簡并的外爾費米子。
劍指“馬約拉納”
隨著近年來研究的不斷深入，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)域的一個重要方向。丁洪指出，三重簡并費米子的發(fā)現(xiàn)對促進人們認(rèn)識電子拓?fù)湮飸B(tài)，發(fā)現(xiàn)新奇物理現(xiàn)象，開發(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。
對于此次發(fā)現(xiàn)，丁洪將其歸功于各個環(huán)節(jié)的緊密配合，“從理論的提出，到隨后材料的選取、制備，再到運用上海光源進行測量和分析，各環(huán)節(jié)溝通、配合的非常緊密”。
未來，除了進一步分析、研究三重簡并費米子的性質(zhì)，尋找更多可能存在的新型費米子也是研究的重要方向。就在今年5月，丁洪和錢天副研究員指導(dǎo)博士生馬均章、呂佰晴在上海光源“夢之線”對非簡單空間群拓?fù)浣^緣體KHgSb（銻化鉀汞）的電子結(jié)構(gòu)進行了細(xì)致的測量，觀測到沙漏型色散的表面態(tài)，提供了新型“沙漏費米子”的實驗證據(jù)。
科學(xué)家們已經(jīng)成功發(fā)現(xiàn)了狄拉克費米子、外爾費米子以及新成員三重簡并費米子，丁洪介紹，但是馬約拉納費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，通過巧妙的實驗設(shè)計，課題組率先觀測到了在渦旋中的由馬約拉納費米子所引起的特有自旋極化電流，這項工作非常漂亮，但仍存在著一些疑問”。丁洪表示，尋找到比較純凈的馬約拉納費米子也是近年來科學(xué)家們競相占領(lǐng)的高地。
根據(jù)丁洪的介紹，馬約拉納費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米子成為拓?fù)淞孔佑嬎銠C能否實現(xiàn)的一個關(guān)鍵。目前，世界范圍內(nèi)多個國家的科研機構(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，“我們也在這方面努力尋求突破”，丁洪說。
參考文獻：
Lv, B. Q., et al. "Observation of three-component fermions in the topological semimetal molybdenum phosphide." Nature (2017).
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