中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心研究員丁洪、錢天和副研究員孫煜杰團隊與中國人民大學(xué)物理學(xué)系雷和暢等合作者共同發(fā)現(xiàn)三維材料CoSi中存在新型手性費米子的確定證據(jù)。該實驗結(jié)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(xiàn)象提供了一個較為理想的平臺。相關(guān)研究成果于3月20日發(fā)表在《自然》上。

手性是指一個物體與其鏡像不能重合的現(xiàn)象，比如我們的雙手，左右與右手不能重合。手性現(xiàn)象在自然界中廣泛存在，在物理學(xué)中表示一種重要的“對稱性”。在相對論物理中，手性是指無質(zhì)量粒子的自旋和動量方向平行或者反平行，盡管90年前理論預(yù)測了存在無質(zhì)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(jīng)過實驗證實。

論文通訊作者之一錢天告訴《中國科學(xué)報》，在固體中，一些材料的體態(tài)電子結(jié)構(gòu)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(xiàn)能帶簡并。這個特征介于金屬和絕緣體或半導(dǎo)體之間，屬于半金屬材料，也被稱為拓撲半金屬。在簡并點附近會激發(fā)各種類型的費米準粒子。

迄今為止，實驗已經(jīng)證明“固體宇宙”中存在3種費米準粒子：四重簡并的狄拉克費米子、二重簡并的外爾費米子、以及三重簡并費米子。只有外爾費米子具有手性，狄拉克費米子和三重簡并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，將它們退簡并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并點半金屬中表現(xiàn)出的許多物理性質(zhì)，例如手性反常導(dǎo)致的負磁阻效應(yīng)和表面態(tài)費米弧，本質(zhì)上都是來源于手性的外爾費米子。

“現(xiàn)有的理論已經(jīng)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(guān)的材料，但直接的實驗證據(jù)仍然缺乏。”錢天說，在眾多關(guān)于新型手性費米子的理論預(yù)言中，過渡金屬硅化物CoSi屬于能帶結(jié)構(gòu)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(guān)注。

角分辨光電子能譜實驗可以提供直接的證據(jù)，但需要原子級平整的樣品表面。由于CoSi是三維材料，傳統(tǒng)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(xué)院大學(xué)博士生饒志成借助“拋光-轟擊-退火”的方法，經(jīng)過長時間的不斷摸索，終于在CoSi單晶樣品上得到原子級平整的表面，并在上海光源“夢之線”觀測到清晰的體態(tài)和表面態(tài)能帶。實驗結(jié)果顯示在體布里淵區(qū)的中心和角落處存在體態(tài)能帶簡并點，并通過分析表面態(tài)確定了簡并點處存在手性的費米子，這與理論計算結(jié)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(jù)，但中國科學(xué)家在樣品質(zhì)量、數(shù)據(jù)質(zhì)量等方面獲得了最高質(zhì)量的結(jié)果。

“尋找物理世界中的新事物，很多首先是理論預(yù)言，在此基礎(chǔ)上進行樣品制備、實驗觀測進行‘判定’，最終確定某種現(xiàn)象或是物態(tài)存在或不存在，但對于其是否具備某些性質(zhì)甚至最終實用價值如何，還需要更多的研究。”孫煜杰表示。

科學(xué)家認為，此次發(fā)現(xiàn)外爾費米子之外的新型手性費米子不僅是拓撲半金屬領(lǐng)域上的突破，也可以為探索手性費米子相關(guān)的物理現(xiàn)象提供更多的途徑，具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞： 新型手性費米子