一场外尔费米子发现的国际竞赛

Arcman · 发表于 2015-12-21 01:58

一场外尔费米子发现的国际竞赛原创 2015-07-21 陈晓雪
《赛先生》陈晓雪

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2015-12-21 02:08 上传

中国科学家在实验中观测到“费米弧”

日前，中科院物理所的丁洪小组、美国普林斯顿大学的Hasan小组和他们的合作者宣布利用角分辨光电子能谱（ARPES）最先独立地在拓扑半金属材料（TaAs）中直接观测到一种新奇准粒子——外尔（Weyl）费米子。

然而，美国小组的论文被《科学》接收并于7月16日在其网站上发表，同时作出同样工作的中国小组的论文意外遭遇《科学》拒稿，该文章现已被《物理评述X》接收，该小组另一篇相关文章也被一家知名国际期刊接收，即将发表。

据了解，这是自1929年外尔费米子被提出以来，科学家首次在实验中观测到外尔费米子及其物理特性。外尔费米子的发现对发展低能耗的电子器件意义重大。另外，因其稳定的拓扑特质，对高容错的拓扑量子计算具有重要作用。
1929年，德国数学家和物理学家Hermann Weyl在狄拉克方程的基础上指出，狄拉克方程无质量的解描述的是一对具有相反“手性”的新粒子，但是多年以来科学家们在实验中从未观察到这种粒子。

“寻找外尔费米子的努力一直持续不断。中微子一度被认为是外尔费米子，但后来发现中微子是有质量的”，中科院物理所团队负责研究理论计算的研究员翁红明介绍说，“近年来，拓扑绝缘体和拓扑半金属的快速发展为在凝聚态体系中观测外尔费米子提供了新的思路和途径。”

理论研究认为，外尔费米子态可能在某些晶体中被观察到，相应的材料被称为外尔半金属。不过，一直以来科学家们还不曾确定发现一个外尔半金属。

中国科学家在这一领域取得一系列突破，由此启动了一个国际研究的热点领域，并最终成功实现了外尔费米子的独立观测。

2011年，南京大学物理学院万贤纲教授与加州大学戴维斯分校的Sergey Savrasov教授、加州大学伯克利分校的Ashivin Vishwanath合作，通过理论计算首次认为烧绿石结构的铱氧化物可能是磁性外尔半金属。同一年，中科院物理所方忠、戴希团队也预言铁磁尖晶石(HgCr2Se4)属于外尔半金属。但两个提议都还需要实验验证。

关键的突破来自狄拉克半金属的发现。2012年和2013年，中科院物理所方忠、戴希研究组理论预言Na3Bi和Cd3As2是狄拉克半金属，并在2014年证实了这一理论预言，是世界上首次发现三维版本的石墨烯。这也是首次在三维空间实现无质量（即线性色散）的电子态，由于某些对称性的保护，两种手性相反的外尔费米子叠加在一起，没有分开。这向实现相互分离的手性外尔费米子的实验观测走出了关键性的一步。

由此，国际上众多实验和理论工作迅速开展，发现真实的外尔半金属材料成为激烈竞争的科学前沿。

2014年12月31日，中国科学院物理所翁红明、戴希、方忠通过理论计算第一次预言TaAs, TaP, NbAs和NbP等打破中心对称的家族材料属于外尔半金属。不同于以往的理论方案，这一系列材料能自然合成，没有磁性且无需进行掺杂等细致繁复的调控，非常有利于实验验证。

他们的这一发现率先在arXiv网站对全世界公开，立即受到热切关注，国际上多个研究组开始了竞赛般的实验验证工作。

1月5日，Hasan小组写信告知中科院物理所团队他们也有类似的工作，并同时将论文张贴在arXiv网站。

“ARPES是研究电子结构的一个重要实验技术。使用ARPES实验可以直接观测外尔半金属的最根本特性，即表面态的费米弧和体态中的外尔锥”，丁洪告诉《赛先生》。

中科院物理所陈根富小组首先制备出了具有原子级平整表面的大块TaAs晶体。北京大学的贾爽小组也几乎同时制备出了TaAs晶体。
2015年1月初丁洪小组利用他们刚在上海光源建成的“梦之线”同步辐射X射线对TaAs晶体进行了精确地测量，第一次观测到TaAs表面态存在费米弧。2015年2月底他们又在瑞士光源观测到体态中的外尔点及其附近的四维外尔锥。

在普通金属里面，费米面是连通的封闭的圈，但是在外尔半金属的表面，费米面是中断的圆圈，会在某一个地方突然消失，也就形成了费米弧。丁洪小组和翁红明、戴希、方忠通过实验和理论的高度匹配解释费米弧为何应该在某处会消失。“实际上它并没有消失，而是在体内分离的手性外尔费米子在表面的投影点进到体态里面了”，翁红明解释说。

《赛先生》了解到，丁洪等人随后撰写论文，于2月13日联系《科学》杂志编辑并于2月16日提交论文，几经反复后在6月17日意外遭遇拒稿处理。目前，该小组相关的两篇论文即将在其他国际期刊上发表。

而使用北大贾爽小组提供的相同材料，普林斯顿大学Hasan小组及合作者利用ARPES也在实验中发现了外尔费米子。其论文2月15日提交，并于7月16日在线发表在《科学》杂志网站上。

值得注意的，同样在2月15日提交论文，并于7月16日在线发表在《科学》杂志网站上的还有美国麻省理工学院的陆凌、傅亮等人的研究工作，他们宣布在一个三维光子晶体中观测到外尔波色子，并认为这对发展新一代的光学有重要意义。

英国皇家化学会（RSC）所属的《Chemistry World》杂志作为独立的第三方科学媒体，第一时间全面、客观报道了三个国际研究小组的工作。（编者注：点击阅读原文可查看。）

《赛先生》将对中国科学家独立发现外尔费米子后曲折的发表经历作进一步深入报道。

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