开启“材料宇宙”中的粒子探测新方向
单位：物理研究所
理论预言和实验实现外尔半金属，并首次观测到80多年前理论猜想的外尔费米子。该系列工作入选英国物理学会等多家机构发布的2015年标志性进展、理论部分获2017年日本“仁科芳雄亚洲奖”、2018年入选美国物理学会“物理评论”系列期刊诞生125周年纪念论文集，是唯一入选的出自中国本土的工作。首次理论预言并实验实现三重简并费米子，成果入选2017年度中国科学十大进展、2017年度中国十大科技进展新闻、中科院2017年度科技创新亮点成果。
首次在单一块体超导材料中发现高纯度的马约拉纳束缚态，能在相对高的温度下实现，不容易受到其他准粒子的干扰，为马约拉纳物理的研究开辟新的方向。该成果对构建稳定的、高容错、可拓展的未来量子计算机的应用具有极其重要意义。
媒体报道：
【中国科学院官方网站】外尔费米子
1928年，狄拉克提出了描述相对论电子态的狄拉克方程。1929年，德国科学家外尔（Hermann Weyl）指出，当质量为零时，狄拉克方程描述的是一对重叠的具有相反手性的新粒子，即外尔费米子。这种神奇的粒子带有电荷，却不具有质量。但是80多年过去了，人们一直没有能够在实验中观测到外尔费米子。中微子曾经被认为是外尔费米子，但是后来发现中微子其实是有质量的。近年来，拓扑绝缘体，尤其是拓扑半金属等新奇量子态研究的快速发展为在凝聚态体系中实现和观测外尔费米子提供了新的思路。其中备受瞩目的就是找到真实的外尔半金属材料。当两个自旋非简并的能带在费米能级附近线性交叉时，其低能准粒子激发态与外尔费米子的行为一致，这类材料体系被称为外尔半金属。理论预言，由于外尔费米子态的存在，外尔半金属会呈现出诸多奇异的物理现象，比如在体能带结构中成对出现，具有相反手性的外尔锥；在晶体表面上有连接两个外尔点表面投影的开放的费米面，即费米弧。此外，由于不同手性外尔费米子互相分离，会导致奇特的手性反常效应。所谓手性反常，是指材料中具有某种确定手性的电子的数量在某些条件下不守恒。直观的说，就是当外加的磁场平行于电场时，在磁场不是很大的情况下，体系的电阻随磁场的增加迅速减少，即负的磁电阻现象。外尔费米子这些优异的性质使其在新型电子器件开发和拓扑量子计算等领域有着广泛的潜在应用前景。
如何找到合适的外尔半金属材料体系是一个极具挑战性的科学问题，也是该领域国际竞争的焦点之一。突破来自狄拉克半金属材料理论预言与实验证实，人们在这类拓扑半金属里实现了无质量的狄拉克电子态。自然希望通过解除其狄拉克锥上的自旋简并，使其劈裂成手性的外尔锥，从而将其调制为外尔半金属。这一过程可以通过破缺时间或空间反演对称性来实现。按照这一思路，众多理论和实验工作迅速开展。然而，这些理论预言大多是通过引入磁性原子破坏时间反演对称性或者通过连续掺杂调控组分及能带结构实现外尔电子态。体系中磁性原子带来的磁畴以及杂质原子对平移对称性的破坏无疑会严重阻碍实验上对外尔费米子本征性质的研究。
最近，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室（筹）翁红明、方忠、戴希及其合作者，通过第一性原理计算，首次理论预言TaAs家族材料是外尔半金属【H. Weng et al., Phys. Rev. X 5, 011029 (2015)】。与之前的理论预言不同，TaAs这类材料通过破缺空间反演对称性实现外尔电子态，并且无需进行掺杂等细致繁复的调控有利于实验的验证。这一结果立刻引起了实验物理学家的重视，许多研究组开始了竞赛般的实验验证工作。
其中，物理所陈根富小组首先制备出了高质量TaAs晶体，丁洪小组副研究员钱天与博士生吕佰晴利用上海光源“梦之线”ARPES实验站立即对TaAs（001）表面电子态进行了高精度测量。通过与翁红明、戴希、方忠紧密合作，结合第一性原理计算结果，证实了表面费米弧的存在，并且确定了费米弧与外尔点在（001）表面投影的连接方式，提供了TaAs材料外尔电子态的直接实验证据【B. Q. Lv, H. Weng et al., Phys. Rev. X 5, 031013 (2015)】。随后，丁洪小组及其瑞士保罗谢勒研究所的合作者进一步测量了TaAs体电子态，直接观测到外尔点及其附近的三维狄拉克锥，提供了进一步的实验证据【B. Q. Lv, N. Xu, H. Weng et al., Nat. Phys.（DOI: 10.1038/NPHYS3426）(2015)】。与此同时，陈根富小组的博士生黄筱淳和赵凌霄通过精确的电输运测量，首次在TaAs单晶中观测到了由手性反常导致的负磁阻效应，进一步从输运的角度证明了外尔费米子的存在【X. C. Huang, L. X. Zhao et al., Phys. Rev. X 5, 031023 (2015)】。在该实验过程中，研究员吕力给予了极大帮助。以上一系列工作是自1929年外尔费米子被提出以来，首次在凝聚态物质中证实存在外尔费米子态，具有非常重要的科学意义。
这些工作得到了科技部“973”项目、国家自然科学基金委和中国科学院先导B项目的支持。
图1 实验和计算获得的TaAs (001)表面态费米弧
图2 TaAs体态外尔点和表面态费米弧的关系
图3 TaAs的负磁阻现象
转自中国科学院官方网站：物理所等实验发现外尔费米子（http://www.cas.cn/syky/201509/t20150901_4418856.shtml）
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扩展阅读：
1. [中国科学院物理研究所官方微信] ？ "Eureka!"——固体“宇宙”中的外尔费米子
2. [中国科学院物理研究所官网] ？ “外尔费米子研究”入选英国《物理世界》（Physics World）“2015年十大突破”
3. [中国科学院官网] ？ 物理所等实验发现外尔费米子
4. [官方微信中科院之声] ？ 发现外尔费米子有什么用？
5. [官方微信中科院之声]拓扑物态研究领域又有重大突破：中国科学家发现新型费米子
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