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科學家發(fā)現(xiàn)第二種類型的外爾費米子

左：標準 I 型韋爾的費米子能態(tài)

右：新發(fā)現(xiàn)的 II 型外爾費米子

由中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)國家實驗室（籌）、普林斯頓大學和瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學院的研究人員組成的國際團隊最近預測了一種新型“新類型”在一種特殊類型的金屬材料中。 當外部磁場在某些特定方向上施加時，該材料表現(xiàn)為絕緣體，而當磁場在其他方向上時，該材料表現(xiàn)為導體。這種獨特的物理特性具有潛在的應用價值，即它可以幫助開發(fā)研究人員預測二碲化鎢（WTe2）中存在這樣的“粒子”。各種固態(tài)材料就像“物質宇宙”，包含著多種具有不同特性的“粒子”。其中一些可以在宇宙中找到對應的真實基本粒子，而其余的可能只存在于某些特殊類型的晶體中。與這項研究相關的工作發(fā)表在最新一期的《自然》雜志上。

研究人員將這種新型“粒子”稱為II型韋爾費米子，它是標準量子場論中韋爾費米子的“表親”。 然而，新的“粒子”在電磁場中表現(xiàn)出截然不同的特性。 領導這項研究的是中國科學院物理研究所戴曦研究員、普林斯頓大學物理系副教授Andre （B.）和蘇黎世聯(lián)邦理工學院 。 由 博士 ( ) 和 Troel 教授 ( ) 完成。 同時，研究團隊還包括普林斯頓大學的王志軍博士、蘇黎世聯(lián)邦理工學院的吳全勝以及 Glais博士（ ）。

研究人員表示，85 年前，在量子理論的早期階段，物理學家韋爾就否定了此類粒子的可能性。 因為它的存在違反了宇宙的基本規(guī)則之一——洛倫茲對稱性。 然而，與真空中不同的是，晶體環(huán)境破壞了空間的均勻性，不存在洛倫茲對稱性，從而為這種新粒子的存在提供了可能性。 宇宙中存在的粒子是用相對論量子場論來描述的費米子凝聚態(tài)，該理論結合了量子力學和愛因斯坦的相對論。 根據(jù)該理論，固體由原子組成，原子包含圍繞其運動的質子和電子。 由于固體中的電子數(shù)量極其龐大，并且它們之間相互作用，因此不可能用量子力學理論來準確描述固體中每個電子的運動。 相反，科學家們使用一種稱為“準粒子”的簡化視圖來更有效地描述固體材料中電子的運動，即將耦合在一起的無數(shù)真實電子的運動簡化為非交互的“準粒子”運動的粒子在由離子和其他電子形成的等效場中，這些準粒子，也稱為布洛赫電子，是費米子。

正如電子是真空宇宙中的基本粒子一樣，布洛赫電子也被認為是固體材料中的“基本粒子”。 換句話說，從固態(tài)物理學家的角度來看，晶體材料本身就是一個“宇宙”，擁有自己的“基本粒子”。 近年來，研究人員發(fā)現(xiàn)，這樣的“物質宇宙”可以產(chǎn)生相對論量子場論所預測的大部分粒子。 在一些材料中發(fā)現(xiàn)了其中的三種準粒子：狄拉克費米子、馬約拉納費米子和外爾費米子。 盡管后兩種粒子很難在實驗中捕獲，但它們開辟了一種在廉價和小規(guī)模凝聚態(tài)物質系統(tǒng)中驗證量子場論的新方法。 由于這些晶體可以在實驗室中生長，因此可以在 WTe2 或其他候選材料（例如碲化鉬、MoTe2）中通過實驗尋找它們。 WTe2 等這些實驗材料是由普林斯頓大學的實驗人員培育出來的，并于去年發(fā)表在《自然》雜志上[1]。

邦納維克說：“也許人類的想象力可以更進一步，找到相對論量子場論未知的凝聚態(tài)粒子。” 當然我們有理由相信這些研究人員能夠做到。 宇宙是用量子場論來描述的。 在建立這個描述系統(tǒng)的過程中，使用了某些規(guī)范或對稱性，例如眾所周知的高能粒子必須遵守的洛倫茲對稱性。 然而，洛倫茲對稱性并不適用于凝聚態(tài)物質，因為固體中準粒子運動的速度與光速相比非常小，使得凝聚態(tài)理論本質上是一種低能有效理論。 “人們想知道，”索魯亞諾夫說，“是否有可能在‘物質宇宙’中創(chuàng)造出不符合洛倫茲對稱性的非相對論‘基本粒子’？”

對于這個問題，國際合作團隊給出了肯定的答案。 這項工作始于 2014 年 11 月 和 Deich 訪問普林斯頓大學的 。在討論中，他們注意到 WTe2 在磁場中的異常行為。 普林斯頓大學的一個實驗小組在一些材料實驗中觀察到了這些行為（ 2014），但確認它是由一種新型“粒子”引起的需要更多的努力。 在后續(xù)研究中英語作文，他們很快發(fā)現(xiàn)，雖然相對論只允許一種外爾費米子存在，但在凝聚態(tài)物質中也有可能出現(xiàn)另一種物理上不同的外爾費米子。 標準 I 類外爾費米子在零能量下僅具有兩種可能的狀態(tài)，類似于真空中電子的兩種不同自旋態(tài)。 這種系統(tǒng)在零能量下的態(tài)密度為零，因此它不會產(chǎn)生許多有趣的熱力學效應。 這種外爾費米子存在于相對論場論中，并且是洛倫茲不變性所允許的唯一的外爾費米子。 新預測的II型外爾費米子系統(tǒng)在零能量下具有有限的態(tài)密度，即具有有限尺寸的費米面。 II 型韋爾點出現(xiàn)在電子型費米面和空穴型費米面之間的接觸點處。 這賦予了II型外爾費米子系統(tǒng)一個新的特性，即有限態(tài)密度，并打破了洛倫茲對稱性。

這一發(fā)現(xiàn)開辟了許多新的研究方向。 大多數(shù)普通金屬在磁場中電阻率都會增加，這是一種非常常見的現(xiàn)象。 普林斯頓大學和中國科學院物理研究所近期的理論和實驗研究證實，標準I型外爾半金屬在同一方向施加電場和磁場時表現(xiàn)出電阻率下降，即縱向負磁阻。 這項新工作表明，對于II型Weyl費米子材料，磁阻行為與晶體方向有關。 當磁場和電流沿著某些特定的晶體方向時，電阻率會像普通金屬一樣增加費米子凝聚態(tài)，而在其他方向上電阻率會像外爾半金屬一樣下降。 這些復雜的傳輸特性具有潛在的應用。

“更有趣的問題是，在其他凝聚態(tài)物質系統(tǒng)中能否發(fā)現(xiàn)更多的‘基本粒子’？” 博納威克說。 “無限的‘物質宇宙’中還隱藏著哪些‘粒子’？對此的研究或許才剛剛開始。”

普林斯頓大學的研究人員由國防部、美國海軍研究辦公室、國家科學基金會、大衛(wèi)和 WM 凱克基金會資助。 蘇黎世聯(lián)邦理工學院的研究人員由微軟研究院、瑞士國家科學基金會和歐洲研究委員會資助。 戴曦獲得國家自然科學基金、科技部973計劃、中國科學院的資助。 在此謝謝您了。 （原標題：科學家發(fā)現(xiàn)第二類外爾費米子）