“千人”专家丁洪团队首次发现新型费米子

2017-07-06 千人计划专家联谊会

  继“拓扑绝缘体”“量子反常霍尔效应”“外尔费米子”之后,“千人计划”专家丁洪团队在拓扑物态研究领域又迎来一项重大突破。

  从中国科学院物理研究所获悉,该所科研团队近日首次发现了突破传统分类的新型费米子——三重简并费米子,为固体材料中电子拓扑态研究开辟了新的方向。

  这一成果已于6月19日在线发表在国际知名学术期刊《自然》杂志上,论文通讯作者为中科院物理所研究员丁洪、钱天、石友国,并列第一作者为中科院物理所博士生吕佰晴、冯子力、许秋楠。该发现从理论预言、样品制备、到实验观测的全过程,都是由我国科学家独立完成。

  组成宇宙的基本粒子可分为波色子和费米子。这其中,按照现有的理论,费米子又分为三种类型,即狄拉克费米子、外尔费米子和马约拉纳费米子。狄拉克费米子已经被发现,大家所熟知的电子、质子、中子等就是狄拉克费米子,而外尔费米子和马约拉纳费米子至今尚未被观测到。

  固体材料中实验发现的三种费米子:四重简并的狄拉克费米子(左)、两重简并的外尔费米子(中)、三重简并的新型费米子(右)。图片来源:中科院物理所

  根据丁洪的介绍,马约拉纳费米子是一种中性自旋1/2粒子,它的反粒子就是它本身,同时它的零能束缚态是一种非常奇特的任意子,可以很稳定地保持量子纠缠,这些特殊的属性也使得马约拉纳费米子成为拓扑量子计算机能否实现的一个关键。目前,世界范围内多个国家的科研机构,甚至是谷歌、微软、IBM等大型科技企业都在努力寻找马约拉纳费米子,它也成为拓扑物态领域乃至凝聚态物理的一大热门,“我们也在这方面努力寻求突破”,丁洪说。

  不过,在2016年4月,翁红明、方辰、戴希、方忠“预言”:在一类具有碳化钨晶体结构的材料中存在“三重简并”的电子态,其准粒子就是“三重简并”费米子——这是不同于“四重简并”的狄拉克费米子和“两重简并”的外尔费米子的新型费米子。

  事实上,与时空连续的宇宙空间不同,电子所处的“固体宇宙”只满足不连续的分立空间对称性,这就可能导致传统理论中所没有的新型费米子。寻找新型费米子是近年来拓扑物态领域一个挑战性的前沿科学问题,也是该领域国际竞争的焦点之一。

  后来,石友国指导博士生冯子力迅速制备出碳化钨家族中的磷化钼单晶样品,丁洪和钱天指导博士生吕佰晴,在上海光源“梦之线”和瑞士保罗谢勒研究所经过几个月的实验测量,成功解析出磷化钼的电子结构,与翁红明指导博士生许秋楠的计算结果高度吻合,首次实验发现突破传统分类的三重简并费米子。

  据介绍,中科院物理所陈根富研究组在碳化钨中观测到与狄拉克半金属和外尔半金属显著不同的方向依赖输运行为,紧接着德国马克斯-普朗克研究所的科学家在磷化钼中观测到极低电阻行为,这些都有可能是这种新型费米子的独特表现。

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