中國(guó)科學(xué)家首次觀測(cè)到三重簡(jiǎn)并費(fèi)米子
繼“拓?fù)浣^緣體”、“量子反;魻栃(yīng)”、“外爾費(fèi)米子”之后,最近中國(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)的科研團(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,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6月19日在線發(fā)表在《自然》(Nature,doi:10.1038/nature22390)期刊上。該項(xiàng)研究從理論預(yù)言、樣品制備到實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的全過程,都由我國(guó)科學(xué)家獨(dú)立完成。 組成宇宙的基本粒子可分為玻色子和費(fèi)米子,F(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)米子已經(jīng)被發(fā)現(xiàn),大家所熟知的電子、質(zhì)子、中子等就是狄拉克費(fèi)米子,而外爾費(fèi)米子和馬約拉納費(fèi)米子還沒有在粒子物理實(shí)驗(yàn)中被觀測(cè)到。 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。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”。人們首先在固體中發(fā)現(xiàn)對(duì)應(yīng)于無質(zhì)量狄拉克費(fèi)米子的準(zhǔn)粒子。2012年,物理所方忠、戴希、翁紅明研究組理論預(yù)言在Na3Bi中存在無“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,丁洪、錢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。外爾費(fèi)米子的發(fā)現(xiàn)入選了美國(guó)物理學(xué)會(huì)評(píng)選的2015年國(guó)際物理學(xué)八大亮點(diǎn)、英國(guó)物理學(xué)會(huì)評(píng)選的2015年物理世界十大突破、2015年中國(guó)科學(xué)十大進(jìn)展和2015年中國(guó)十大科技進(jìn)展新聞。 與時(shí)空連續(xù)的宇宙空間不同,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,這就可能導(dǎo)致傳統(tǒng)理論中所沒有的新型費(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,物理所翁紅明、方辰、戴希、方忠預(yù)言在一類具有碳化鎢晶體結(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(圖1和圖2a)。物理所石友國(guó)指導(dǎo)博士生馮子力迅速制備出碳化鎢家族中的MoP(磷化鉬)單晶樣品,丁洪和錢天指導(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)過幾個(gè)月的實(shí)驗(yàn)測(cè)量,成功解析出MoP的電子結(jié)構(gòu),觀測(cè)到其中的三重簡(jiǎn)并點(diǎn),與翁紅明指導(dǎo)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)分類的三重簡(jiǎn)并費(fèi)米子(圖2)。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)方向依賴的輸運(yùn)性質(zhì)。近期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)!肮腆w宇宙”中新型粒子的研究剛剛開始,這一研究成果對(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。 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(guó),并列第一作者為物理所博士生呂佰晴(實(shí)驗(yàn)觀測(cè))、馮子力(樣品制備)、許秋楠(理論計(jì)算)。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)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(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2:(a)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。(b)MoP的晶體結(jié)構(gòu)。(c-e)實(shí)驗(yàn)測(cè)量的布里淵區(qū)三個(gè)方向C1、C2、C3的能帶色散。(f-h)相應(yīng)的能帶計(jì)算結(jié)果。(i)C1、C2、C3在布里淵區(qū)中的位置,其中C1和C3穿過三重簡(jiǎn)并點(diǎn)(紅色圓點(diǎn))。(j)從實(shí)驗(yàn)中提取出的能帶色散構(gòu)成的三維圖。 |