中國科學家發現新型手性費米子
中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心研究員丁洪、錢天和副研究員孫煜傑團隊與中國人民大學物理學系雷和暢等合作者共同發現三維材料CoSi中存在新型手性費米子的確定證據。該實驗結果證明了新型手性費米子的存在，為探索由手性費米子引起的新奇物理現象提供了一個較為理想的平台。相關研究成果於3月20日發表在《自然》上。
手性是指一個物體與其鏡像不能重合的現象，比如我們的雙手，左右與右手不能重合。手性現像在自然界中廣泛存在，在物理學中表示一種重要的“對稱性”。在相對論物理中，手性是指無質量粒子的自旋和動量方向平行或者反平行，儘管90年前理論預測了存在無質量手性費米子——外爾費米子，但它們作為基本粒子的存在尚未經過實驗證實。
論文通訊作者之一錢天告訴《中國科學報》，在固體中，一些材料的體態電子結構因某些對稱性或者拓撲的保護致使能帶交叉時不會雜化，出現能帶簡併。這個特徵介於金屬和絕緣體或半導體之間，屬於半金屬材料，也被稱為拓撲半金屬。在簡併點附近會激發各種類型的費米準粒子。
迄今為止，實驗已經證明“固體宇宙”中存在3種費米準粒子：四重簡併的狄拉克費米子、二重簡併的外爾費米子、以及三重簡併費米子。只有外爾費米子具有手性，狄拉克費米子和三重簡併費米子本身沒有手性。錢天表示，“可以通過破缺對稱性，比如外加磁場，將它們退簡併成手性的外爾費米子。”
全新的奇特拓撲量子材料狄拉克半金屬和三重簡併點半金屬中表現出的許多物理性質，例如手性反常導致的負磁阻效應和表面態費米弧，本質上都是來源於手性的外爾費米子。
“現有的理論已經證明，在“固體宇宙”中還存在著多種類型的除外爾費米子以外的手性費米子以及相關的材料，但直接的實驗證據仍然缺乏。”錢天說，在眾多關於新型手性費米子的理論預言中，過渡金屬矽化物CoSi屬於能帶結構比較理想的材料。也正因如此，該材料引起了國際上多個研究團隊的關注。
角分辨光電子能譜實驗可以提供直接的證據，但需要原子級平整的樣品表面。由於CoSi是三維材料，傳統的解理方法獲得的表面無法滿足實驗要求。論文通訊作者之一孫煜杰和論文第一作者、中國科學院大學博士生饒志成借助“拋光－轟擊－退火”的方法，經過長時間的不斷摸索，終於在CoSi單晶樣品上得到原子級平整的表面，並在上海光源“夢之線”觀測到清晰的體態和表面態能帶。實驗結果顯示在體佈裡淵區的中心和角落處存在體態能帶簡併點，並通過分析表面態確定了簡併點處存在手性的費米子，這與理論計算結果高度吻合。
饒志成告訴記者，日本、美國、英國的3個研究團隊也同時在CoSi這一類材料中尋找新型手性費米子的證據，但中國科學家在樣品質量、數據質量等方面獲得了最高質量的結果。
“尋找物理世界中的新事物，很多首先是理論預言，在此基礎上進行樣品製備、實驗觀測進行’判定’，最終確定某種現像或是物態存在或不存在，但對於其是否具備某些性質甚至最終實用價值如何，還需要更多的研究。”孫煜傑表示。
科學家認為，此次發現外爾費米子之外的新型手性費米子不僅是拓撲半金屬領域上的突破，也可以為探索手性費米子相關的物理現象提供更多的途徑，具有重要的科學意義和應用價值。
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