中國科學家首次觀測到三重簡並費米子

繼“拓撲絕緣體”、“量子反常霍爾效應”、“外爾費米子”之後，最近中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室（籌）的科研團隊在拓撲物態研究領域又取得了重大突破，首次觀測到三重簡並費米子，為固體材料中電子拓撲態研究開闢了新的方向。這一研究成果于6月19日在線發表在《自然》（Nature，doi:10.1038/nature22390）期刊上。該項研究從理論預言、樣品製備到實驗觀測的全過程，都由我國科學家獨立完成。

組成宇宙的基本粒子可分為玻色子和費米子。現有的理論認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。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，而外爾費米子和馬約拉納費米子還沒有在粒子物理實驗中被觀測到。

另一方面，固體中眾多的電子受到週期性晶格和電子-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。這樣的集體激發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于無質量狄拉克費米子的準粒子。2012年，物理所方忠、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（砷化鉭）家族材料中存在外爾費米子。物理所陳根富研究組製備出TaAs單晶樣品，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。外爾費米子的發現入選了美國物理學會評選的2015年國際物理學八大亮點、英國物理學會評選的2015年物理世界十大突破、2015年中國科學十大進展和2015年中國十大科技進展新聞。

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並的電子態，其準粒子就是三重簡並費米子，是不同於四重簡並的狄拉克費米子和兩重簡並的外爾費米子的新型費米子（圖1和圖2a）。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並點，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並費米子（圖2）。翁紅明等人的理論工作還指出，三重簡並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。近期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。

該論文通訊作者為物理所研究員丁洪、副研究員錢天、研究員石友國，並列第一作者為物理所博士生呂佰晴（實驗觀測）、馮子力（樣品製備）、許秋楠（理論計算）。該工作得到了國家自然科學基金委（11622435、11474330、11422428、11674369、11474340、11674371、11234014）、科技部（2016YFA0401000、2016YFA0300600、2015CB921300、2013CB921700、2016YFA0302400、2016YFA0300300）和中科院（XDB07000000）的資助。

  圖1：固體材料中實驗發現的三種費米子：四重簡並的狄拉克費米子（左）、兩重簡並的外爾費米子（中）、三重簡並的新型費米子（右）。

圖2：（a）四重、三重和兩重簡並點的能帶示意圖，在這些簡並點附近的準粒子分別是狄拉克費米子、三重簡並的新費米子和外爾費米子。紅色或藍色的直線代表非簡並的能帶，紅藍交替的直線代表兩重簡並的能帶。（b）MoP的晶體結構。（c-e）實驗測量的布裏淵區三個方向C1、C2、C3的能帶色散。（f-h）相應的能帶計算結果。（i）C1、C2、C3在布裏淵區中的位置，其中C1和C3穿過三重簡並點（紅色圓點）。（j）從實驗中提取出的能帶色散構成的三維圖。