繼“外爾費(fèi)米子”,“沙漏費(fèi)米子”之后,最近上海光源“夢(mèng)之線”用戶——中科院物理所團(tuán)隊(duì)在拓?fù)湮飸B(tài)研究領(lǐng)域又取得了重大突破,首次發(fā)現(xiàn)了突破傳統(tǒng)分類的新型費(fèi)米子——三重簡(jiǎn)并費(fèi)米子,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》雜志上 (doi:10.1038/nature22390)。
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。狄拉克費(fèi)米子諸如電子、質(zhì)子、中子已經(jīng)被發(fā)現(xiàn),而外爾費(fèi)米子和馬約拉納費(fèi)米子還沒有在高能物理實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到。在固體材料中,電子由于受周期性晶格勢(shì)和電子-電子間相互作用而表現(xiàn)出不同于單個(gè)自由電子的集體行為,即所謂的準(zhǔn)粒子。固體中電子的準(zhǔn)粒子可以表現(xiàn)出不同的基本粒子行為,是基本粒子在固體中的“影子”。2015年,中科院物理所團(tuán)隊(duì)預(yù)言并觀測(cè)到了TaAs晶體中的外爾費(fèi)米子,為人們尋找新型費(fèi)米子提供了啟示。
由于固體材料中的電子所處的“固體宇宙”只滿足不連續(xù)的分立空間對(duì)稱性,不同于宇宙的連續(xù)時(shí)空對(duì)稱性,使得在固體中可能存在傳統(tǒng)理論中沒有的新型費(fèi)米子。尋找新型費(fèi)米子是近年來拓?fù)湮飸B(tài)領(lǐng)域一個(gè)挑戰(zhàn)性的前沿科學(xué)問題,也是該領(lǐng)域國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)之一。
2016年4月,中科院物理所理論團(tuán)隊(duì)預(yù)言在一類具有WC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;中科院物理所的丁洪研究員和錢天副研究員指導(dǎo)博士生呂佰晴在上海光源“夢(mèng)之線”的高分辨光電子能譜實(shí)驗(yàn)站以及瑞士光源成功解析出WC家族中的MoP的電子結(jié)構(gòu),首次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)突破傳統(tǒng)分類的三重簡(jiǎn)并費(fèi)米子。理論預(yù)言指出,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)方向依賴的輸運(yùn)性質(zhì),這些獨(dú)特的性質(zhì)也表現(xiàn)在近期實(shí)驗(yàn)所觀察到的WC的方向依賴輸運(yùn)行為,以及MoP的極低電阻行為。對(duì)這一家族材料的奇特現(xiàn)象的探索開啟了“材料宇宙”中新型粒子的研究;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,發(fā)展新型電子器件,以及深入理解基本粒子性質(zhì)都具有重要的意義。
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)。
此實(shí)驗(yàn)研究成果由中科院物理所、上海光源“夢(mèng)之線”和瑞士光源ADRESS線站合作完成?!皦?mèng)之線”是中科院物理研究所、上海應(yīng)用物理研究所以及大連化學(xué)物理研究所合作建設(shè)成功的世界一流的同步輻射光電子實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),于2015年6月通過驗(yàn)收。運(yùn)行開放至今,“夢(mèng)之線”實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)與中科院物理所、上海微系統(tǒng)所、北京大學(xué)、中國(guó)人民大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)等多個(gè)研究組合作,取得了包括“外爾費(fèi)米子”、“沙漏費(fèi)米子”、“大能隙材料ZrTe5的拓?fù)溥吔鐟B(tài)”等重要成果,發(fā)表在Physical Review X、Science Advances等雜志上。
延伸閱讀鏈接:
A new member in topological semimetals family (拓?fù)浒虢饘偌易逍鲁蓡T)
https://academic.oup.com/nsr/article-lookup/doi/10.1093/nsr/nwx066