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试验已经证明固体宇宙中存在3种费米准粒子,在凝聚态材质中追寻新型手性费米子成为了钻探的热销

2020年4月3日 - 职业教育

手性是指一个物体与其镜像不能重合的现象,就像我们的左手和右手。在量子场论中,无质量粒子的手性就是由其自旋与动量方向平行或者反平行来定义的。外尔费米子就是一种具有手性的无质量粒子,自90年前由理论提出以来,虽然作为基本粒子至今没有得到证实,但作为准粒子在凝聚态材料中于2015年发现了存在的证据。因此,在凝聚态材料中寻找新型手性费米子成为了研究的热点。

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中国科学家发现新型手性费米子

在“大科学装置前沿研究”重点专项项目“同步辐射和强磁场下量子材料的多维度测量和表征”等的支持下,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理团队研究中心丁洪、钱天和孙煜杰研究组和中国人民大学雷和畅研究组等通过角分辨光电子能谱测量材料的体态和表面态电子结构,揭示出在CoSi中费米能级附近的带交叉点上存在两种非常规手性费米子——自旋-1费米子和电荷-2费米子,这提供了在凝聚态体系中存在新型手性费米子的直接证据,并且与理论计算结果高度吻合。相关研究成果于近期发表在《自然》(Nature)上。该项研究证明在外尔费米子之外还存在新型的手性费米子,不仅开拓了基于理论预测的非常规手性费米子的研究,是拓扑半金属领域上的突破,而且提供了一个较为理想的探索手性费米子的奇异物理性质以及与手性费米子相关的物理现象的平台,具有重要的科学意义和应用价值。

物理所等在实验中观测到新型手性费米子

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心研究员丁洪、钱天和副研究员孙煜杰国家与中国人民大学物理学系雷和畅等合作者共同发现三维材料CoSi中存在新型手性费米子的确定证据。该实验结果证明了新型手性费米子的存在,为探索由手性费米子引起的新奇物理现象提供了一个较为理想的平台。相关研究成果于3月20日发表在《自然》上。

手性是指一个物体与其镜像不能重合的现象,就像我们的左手和右手。在相对论物理中,手性是指无质量粒子的自旋和动量方向平行或者反平行。外尔费米子就是一种具有手性的粒子,描述它的哈密顿量(H(k)=vec{sigma}cdotvec{k})其中(vec{sigma})和(vec{k})分别代表自旋和动量。在拓扑能带理论中,当固体中包围能带简并点的费米面具有非零的陈数,该简并点具有手性,被看作动量空间中的磁单极,费米面上的低能准粒子激发是具有磁荷的手性费米子。例如,固体中外尔点的陈数C=±1,外尔费米子就是磁荷为1的手性费米子。手性的简并点在表面上的投影被螺旋结构的表面态环绕,其等能面就是费米弧,连接手性相反的简并点在表面的投影。

手性是指一个物体与其镜像不能重合的现象,比如我们的双手,左右与右手不能重合。手性现象在自然界中广泛存在,在物理学中表示一种重要的对称性。在相对论物理中,手性是指无质量粒子的自旋和动量方向平行或者反平行,尽管90年前理论预测了存在无质量手性费米子外尔费米子,但它们作为基本粒子的存在尚未经过实验证实。

在固体中已经实验证实了三种类型的能带简并点,分别是二重简并的外尔点、四重简并的狄拉克点和三重简并点。狄拉克点和三重简并点都可以看成是一对手性相反的外尔点的叠加,手性相互抵消,所以狄拉克费米子和三重简并费米子都没有手性。但可以通过外加条件破缺对称性,比如外加磁场,将它们退简并成手性的外尔费米子。狄拉克半金属和三重简并点半金属中表现出的许多物理性质,例如手性反常导致的负磁阻效应和表面态费米弧,本质上都是来源于手性的外尔费米子。

论文通讯作者之一钱天告诉《中国科学报》,在固体中,一些材料的体态电子结构因某些对称性或者拓扑的保护致使能带交叉时不会杂化,出现能带简并。这个特征介于金属和绝缘体或半导体之间,属于半金属材料,也被称为拓扑半金属。在简并点附近会激发各种类型的费米准粒子。

发现外尔费米子之外的新型手性费米子不仅是拓扑半金属领域上的突破,也可以为探索手性费米子相关的物理现象提供更多的途径,具有重要的科学意义和应用价值。近年来,理论上已经预言了多种类型的手性费米子以及相关的材料,但一直未能得到实验证实。在众多关于新型手性费米子的理论预言中,CoSi属于能带结构比较理想的材料,引起了国际上许多研究组的关注。不考虑自旋-轨道耦合的电子能带或声子谱计算显示,在CoSi的体态布里渊区的中心Г和顶角R点分别存在三重和四重能带简并点。与之前实验证实的碳化钨结构材料MoP、WC中的三重简并点和Na3Bi、Cd3As2中的四重简并的狄拉克点不同的是,它们是陈数C=±2的手性的简并点,费米面上的低能准粒子激发是磁荷为2的手性费米子,分别被命名为spin-1和charge-2费米子。

迄今为止,实验已经证明固体宇宙中存在3种费米准粒子:四重简并的狄拉克费米子、二重简并的外尔费米子、以及三重简并费米子。只有外尔费米子具有手性,狄拉克费米子和三重简并费米子本身没有手性。钱天表示,可以通过破缺对称性,比如外加磁场,将它们退简并成手性的外尔费米子。

图1.CoSi的体态电子结构。体布里渊区和表面布里渊区。第一性原理计算的沿着高对称线的体态能带结构。外尔费米子、狄拉克费米子、spin-1费米子、charge-2费米子的能带结构示意图。沿Г-R、R-X、Г-M方向测量的体态能带色散,实验数据是在体态灵敏的软X射线下采集的,红色曲线是理论计算结果。

全新的奇特拓扑量子材料狄拉克半金属和三重简并点半金属中表现出的许多物理性质,例如手性反常导致的负磁阻效应和表面态费米弧,本质上都是来源于手性的外尔费米子。

图2.CoSi的表面态。在表面上实验测量的表面态的费米面,实验数据是在表面态灵敏的极紫外光下采集的。从费米面数据中提取出的表面态费米弧。在围绕体态能带简并点的表面投影的闭合路径loop#1和loop#2上的能带色散。陈数符号相反的体态能带简并点在表面上的投影被手性相反的表面态环绕,这样的表面态的等能面就是拓扑稳定的费米弧连接它们的投影。

现有的理论已经证明,在固体宇宙中还存在着多种类型的除外尔费米子以外的手性费米子以及相关的材料,但直接的实验证据仍然缺乏。钱天说,在众多关于新型手性费米子的理论预言中,过渡金属硅化物CoSi属于能带结构比较理想的材料。也正因如此,该材料引起了国际上多个研究国家的关注。

通过角分辨光电子能谱测量材料的体态和表面态电子结构,可以提供这些手性费米子的直接证据,但实验测量需要原子级平整的样品表面。CoSi是典型的三维材料,通常的解理方法难以得到原子级平整的表面。中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心与中国人民大学物理系合作,利用抛光-轰击-退火的方法,经过长时间的不断摸索,终于在CoSi单晶样品上得到原子级平整的表面,并在上海光源“梦之线”观测到清晰的体态和表面态能带。实验结果显示在体布里渊区的中心Г和顶角R点存在体态能带简并点,与理论计算结果高度吻合。它们在表面的投影被跨越整个布里渊区的超长表面态费米弧连接,在环绕单个简并点投影的闭合路径上存在两条手性的表面态能带,并且这两条闭合路径之间表面态能带的手性相反,标志着这两个能带简并点携带非零的陈数C=±2,这是CoSi中存在新型手性费米子的确定证据。该实验结果不仅证明了新型手性费米子的存在,而且提供了一个较为理想的平台去探索由手性费米子引起的新奇物理现象。

角分辨光电子能谱实验可以提供直接的证据,但需要原子级平整的样品表面。由于CoSi是三维材料,传统的解理方法获得的表面无法满足实验要求。论文通讯作者之一孙煜杰和论文第一作者、中国科学院大学博士生饶志成借助抛光-轰击-退火的方法,经过长时间的不断摸索,终于在CoSi单晶样品上得到原子级平整的表面,并在上海光源梦之线观测到清晰的体态和表面态能带。实验结果显示在体布里渊区的中心和角落处存在体态能带简并点,并通过分析表面态确定了简并点处存在手性的费米子,这与理论计算结果高度吻合。

这个工作是在物理所EX7组研究员丁洪、钱天和副研究员孙煜杰组成的研究国家和多个研究组的紧密合作下完成的。中国人民大学物理系博士生田尚杰、硕士生李承贺和副教授雷和畅、物理所EX1组博士生王乐和研究员石友国、物理所N08组博士后李治林提供了高质量的CoSi单晶样品;物理所EX7组博士生饶志成、唐岑瑶和副研究员孙煜杰用抛光-轰击-退火的方法处理出原子级平整的表面,在样品定向过程中得到了物理所EX6组博士生刘哲宏和研究员龙有文的帮助;物理所T03组博士生张田田和研究员翁红明进行了能带计算,研究员方辰和翁红明提供了理论指导;物理所EX7组博士生饶志成、李航、付彬彬和研究员钱天在上海光源“梦之线”进行了ARPES实验测量,实验过程中得到上海光源研究员黄耀波的全力支持。

饶志成告诉记者,日本、美国、英国的3个研究国家也同时在CoSi这一类材料中寻找新型手性费米子的证据,但中国科学家在样品质量、数据质量等方面获得了最高质量的结果。

相关研究成果于3月20日在线发表于《自然》杂志。该工作得到科技部、国家自然科学基金委、中科院、科学挑战计划、王宽诚教育基金会、北京市自然科学基金委、北京市科委的资助。

寻找物理世界中的新事物,很多首先是理论预言,在此基础上进行样品制备、实验观测进行判定,最终确定某种现象或是物态存在或不存在,但对于其是否具备某些性质甚至最终实用价值如何,还需要更多的研究。孙煜杰表示。

科学家认为,此次发现外尔费米子之外的新型手性费米子不仅是拓扑半金属领域上的突破,也可以为探索手性费米子相关的物理现象提供更多的途径,具有重要的科学意义和应用价值。

相关论文信息:DOI:10.1038/s41586-019-1031-8

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