科學(xué)家發(fā)現(xiàn)第二類Weyl費(fèi)米子

　　由中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（籌）、普林斯頓大學(xué)和瑞士蘇黎世聯(lián)邦工學(xué)院的研究者們組成的國(guó)際團(tuán)隊(duì)，最近在一類特殊的金屬性材料中預(yù)言了一種新型“粒子”的存在。當(dāng)外加磁場(chǎng)在一些特定方向上時(shí)，這種材料表現(xiàn)出絕緣體行為，而當(dāng)磁場(chǎng)處于其他方向時(shí)，則表現(xiàn)出導(dǎo)體行為。這種獨(dú)特的物理特性具有潛在的應(yīng)用價(jià)值，即有助于研發(fā)具有高效率低能耗特點(diǎn)的新型芯片。研究人員預(yù)言在鎢二碲化物（WTe₂）中存在著這種“粒子”。形形色色的固態(tài)材料像一個(gè)個(gè)“材料宇宙”，包含著多種不同特性的“粒子”，其中一些可以在宇宙中找到真正的基本粒子與之對(duì)應(yīng)，而其余的只可能存在于某些特殊類型的晶體之中。該研究相關(guān)工作發(fā)表在最新一期的《自然》雜志上。

　　研究者們把這種新型“粒子”稱為二類外爾費(fèi)米子，是標(biāo)準(zhǔn)量子場(chǎng)論中的外爾費(fèi)米子的“表親”。然而，新的“粒子”在電磁場(chǎng)中表現(xiàn)出非常不同的特性。引領(lǐng)這項(xiàng)研究的主要有中科院物理所研究員戴希、普林斯頓大學(xué)物理系副教授安德烈·博納維克（B. Andrei Bernevig）、蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院博士阿列克賽·索魯雅諾夫（Alexey Soluyanov）以及教授馬蒂斯·特羅埃爾（Matthias Troyer）完成。同時(shí)該研究團(tuán)隊(duì)還包括普林斯頓大學(xué)博士王志俊、蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院博士吳泉生和多米尼克·格萊斯（Dominik Gresch）。

　　研究人員表示，85年前，在量子理論的發(fā)展初期，這種粒子的存在可能性被物理學(xué)家Hermann Weyl摒棄了。因?yàn)樗拇嬖谶`反了宇宙中的一個(gè)基本規(guī)則——洛倫茲對(duì)稱性。但是，跟在真空中不一樣的是，晶體環(huán)境破壞了空間的均勻一致性，不存在洛倫茲對(duì)稱性，從而給這種新粒子的存在提供了可能。存在于宇宙中的粒子是由相對(duì)論量子場(chǎng)論來描述的，它結(jié)合了量子力學(xué)與愛因斯坦的相對(duì)論。根據(jù)這一理論，固體由原子組成，原子包含質(zhì)子和包圍它運(yùn)動(dòng)的電子。因?yàn)楣腆w中電子的數(shù)目極其龐大且互相之間存在著相互作用，因而不可能用量子力學(xué)理論來精確地描述固體中的每個(gè)電子的運(yùn)動(dòng)。取而代之的是，科學(xué)家們用一種稱為“準(zhǔn)粒子”的簡(jiǎn)化觀點(diǎn)來更有效地描述固態(tài)材料中的電子運(yùn)動(dòng)，即把無數(shù)相互耦合在一起的真實(shí)電子的運(yùn)動(dòng)，簡(jiǎn)化為無相互作用的“準(zhǔn)粒子”，在離子和其他電子一起形成的等效場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)。這些準(zhǔn)粒子，也叫布洛赫電子，都是費(fèi)米子。

　　正如電子是真空宇宙中的基本粒子，布洛赫電子也被認(rèn)為是固體材料中的“基本粒子”。換句話說，在固體物理學(xué)家們看來，晶體材料本身就是一個(gè)“宇宙”，擁有自己的“基本粒子”。近年來，研究人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這樣的“材料宇宙”可以產(chǎn)生出相對(duì)論量子場(chǎng)論預(yù)言的大多數(shù)粒子。這些準(zhǔn)粒子中的三個(gè)，狄拉克、馬約拉納和外爾費(fèi)米子，已經(jīng)在一些材料中發(fā)現(xiàn)。盡管后兩種粒子在實(shí)驗(yàn)中難以捕捉，卻開啟了在低廉和小尺度凝聚態(tài)體系中驗(yàn)證量子場(chǎng)理論的新途徑。由于這些晶體可以在實(shí)驗(yàn)室中生長(zhǎng)，因此可以通過實(shí)驗(yàn)在WTe₂或其他候選材料（如鉬碲化物MoTe₂）中尋找。這些實(shí)驗(yàn)材料如WTe₂由普林斯頓大學(xué)的實(shí)驗(yàn)人員生長(zhǎng)，并發(fā)表在去年的《自然》雜志上。

　　“也許人的想象力可以走得更遠(yuǎn)，從而在凝聚態(tài)物質(zhì)中找到相對(duì)論量子場(chǎng)論所不知道的粒子?！辈┘{維克如是說。當(dāng)然我們有理由相信這些研究者們能夠做到。宇宙是由量子場(chǎng)論描述的，在這種描述體系的建立過程中用到了一定的規(guī)范或?qū)ΨQ性，像熟知的洛倫茲對(duì)稱，這些都是高能粒子所必須遵從的。但是，洛倫茲對(duì)稱性對(duì)凝聚態(tài)物質(zhì)并不適用，因?yàn)橄啾扔诠馑?，在固體中準(zhǔn)粒子運(yùn)動(dòng)的速度非常小，使得凝聚態(tài)理論從本質(zhì)上講是一個(gè)低能有效理論?！按蠹蚁胫?，” 索魯雅諾夫說，“在‘材料宇宙’中產(chǎn)生非相對(duì)論的不符合洛倫茲對(duì)稱性的‘基本粒子’是否是可能的？”

　　關(guān)于這個(gè)問題，該國(guó)際合作團(tuán)隊(duì)給出了積極的回答。這項(xiàng)工作開始于索魯雅諾夫和戴希在2014年11月到普林斯頓大學(xué)拜訪博納維克，在一次討論中大家注意到了WTe₂在磁場(chǎng)中的反常行為。這些行為是由普林斯頓大學(xué)的實(shí)驗(yàn)小組在一些材料實(shí)驗(yàn)中（《自然》2014）觀察到的，但要確認(rèn)它是由新型“粒子”導(dǎo)致的則需要更多的努力。在后續(xù)研究中，他們很快發(fā)現(xiàn)，盡管相對(duì)論理論只允許一種外爾費(fèi)米子，但在凝聚態(tài)物質(zhì)中出現(xiàn)物理上不同的另一種外爾費(fèi)米子是有可能的。標(biāo)準(zhǔn)的I類Weyl費(fèi)米子在零能量處只有兩個(gè)可能的狀態(tài)，類似于真空中電子的兩種不同自旋態(tài)。這樣的體系在零能量處的態(tài)密度是零，以至于不具有許多有趣的熱力學(xué)效應(yīng)。這種外爾費(fèi)米子存在于相對(duì)論場(chǎng)論中，并且是洛倫茲不變性允許的唯一一種。而新預(yù)測(cè)的II類Weyl費(fèi)米子體系在零能量處具有有限的態(tài)密度，即有著有限大小的費(fèi)米面。這種II類外爾點(diǎn)出現(xiàn)在電子型和空穴型費(fèi)米面的接觸點(diǎn)上。這賦予了II類外爾費(fèi)米子體系一個(gè)新的特性，即有限態(tài)密度，并打破了洛倫茲對(duì)稱性。

　　這一發(fā)現(xiàn)開辟了許多新的研究方向。大多數(shù)正常金屬在磁場(chǎng)中表現(xiàn)出電阻率的增加，這是非常普遍的現(xiàn)象。最近普林斯頓和中科院物理所的理論和實(shí)驗(yàn)研究證實(shí)，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的I類外爾半金屬而言，當(dāng)電場(chǎng)和磁場(chǎng)施加在同一方向時(shí)，表現(xiàn)出電阻率的降低，即縱向負(fù)磁阻。而這項(xiàng)新工作表明，對(duì)于II類外爾費(fèi)米子材料而言，磁阻行為與晶體方向有關(guān)，當(dāng)磁場(chǎng)和電流沿著一些特定的晶體方向時(shí)，電阻率會(huì)和正常金屬一樣增加，而在另一些方向上電阻率則會(huì)和外爾半金屬一樣減少。這些復(fù)雜的輸運(yùn)特性具有潛在的應(yīng)用前景。

　　“更有趣的問題是，在其他凝聚態(tài)系統(tǒng)中是不是可以找到更多的‘基本粒子’？” 博納維克說。“還有什么樣的其他‘粒子’被隱藏在無限的‘材料宇宙’中？關(guān)于這方面的研究也許只是剛剛開始?！?/FONT>