中国科学家首次观测到三重简并费米子

继“拓扑绝缘体”、“量子反常霍尔效应”、“外尔费米子”之后，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）的科研团队在拓扑物态研究领域又取得了重大突破，首次观测到三重简并费米子，为固体材料中电子拓扑态研究开辟了新的方向。这一研究成果于6月19日在线发表在《自然》（Nature，doi:10.1038/nature22390）期刊上。该项研究从理论预言、样品制备到实验观测的全过程，都由我国科学家独立完成。

组成宇宙的基本粒子可分为玻色子和费米子。现有的理论认为宇宙中可能存在三种类型的费米子，即狄拉克（Dirac）费米子、外尔（Weyl）费米子和马约拉纳（Majorana）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还没有在粒子物理实验中被观测到。

另一方面，固体中众多的电子受到周期性晶格和电子-电子间相互作用的影响而表现出不同于单个自由电子的集体行为。这样的集体激发可以看作是一个假想的新粒子，即所谓的准粒子。不同固体中电子的准粒子可以表现出不同的粒子行为，是基本粒子在固体中的“影子”。人们首先在固体中发现对应于无质量狄拉克费米子的准粒子。2012年，物理所方忠、戴希、翁红明研究组理论预言在Na3Bi中存在无“质量”的三维狄拉克费米子，随后得到实验证实。2015年，他们又预言TaAs（砷化钽）家族材料中存在外尔费米子。物理所陈根富研究组制备出TaAs单晶样品，丁洪、钱天研究组在上海光源“梦之线”和瑞士保罗谢勒研究所的实验站上观测到了TaAs晶体中的外尔费米子。外尔费米子的发现入选了美国物理学会评选的2015年国际物理学八大亮点、英国物理学会评选的2015年物理世界十大突破、2015年中国科学十大进展和2015年中国十大科技进展新闻。

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。

2016年4月，物理所翁红明、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，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（图1和图2a）。物理所石友国指导博士生冯子力迅速制备出碳化钨家族中的MoP（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MoP的电子结构，观测到其中的三重简并点，与翁红明指导博士生许秋楠的计算结果高度吻合，首次实验证实突破传统分类的三重简并费米子（图2）。翁红明等人的理论工作还指出，三重简并费米子态与狄拉克费米子和外尔费米子态不同，它对外加磁场的方向敏感，使得含有它的母体材料具有磁场方向依赖的输运性质。近期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MoP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。“固体宇宙”中新型粒子的研究刚刚开始，这一研究成果对促进人们认识电子拓扑物态，发现新奇物理现象，开发新型电子器件，以及深入理解基本粒子性质都具有重要的意义。

该论文通讯作者为物理所研究员丁洪、副研究员钱天、研究员石友国，并列第一作者为物理所博士生吕佰晴（实验观测）、冯子力（样品制备）、许秋楠（理论计算）。该工作得到了国家自然科学基金委（11622435、11474330、11422428、11674369、11474340、11674371、11234014）、科技部（2016YFA0401000、2016YFA0300600、2015CB921300、2013CB921700、2016YFA0302400、2016YFA0300300）和中科院（XDB07000000）的资助。

    图1：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2：（a）四重、三重和两重简并点的能带示意图，在这些简并点附近的准粒子分别是狄拉克费米子、三重简并的新费米子和外尔费米子。红色或蓝色的直线代表非简并的能带，红蓝交替的直线代表两重简并的能带。（b）MoP的晶体结构。（c-e）实验测量的布里渊区三个方向C1、C2、C3的能带色散。（f-h）相应的能带计算结果。（i）C1、C2、C3在布里渊区中的位置，其中C1和C3穿过三重简并点（红色圆点）。（j）从实验中提取出的能带色散构成的三维图。