上海光源“梦之线”用户国际首次发现突破传统分类的新型费米子

继“外尔费米子”，“沙漏费米子”之后，最近上海光源“梦之线”用户——中科院物理所团队在拓扑物态研究领域又取得了重大突破，首次发现了突破传统分类的新型费米子——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2017年6月19日在线发表在《自然》杂志上 (doi:10.1038/nature22390)。

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。狄拉克费米子诸如电子、质子、中子已经被发现，而外尔费米子和马约拉纳费米子还没有在高能物理实验中观测到。在固体材料中，电子由于受周期性晶格势和电子-电子间相互作用而表现出不同于单个自由电子的集体行为，即所谓的准粒子。固体中电子的准粒子可以表现出不同的基本粒子行为，是基本粒子在固体中的“影子”。2015年，中科院物理所团队预言并观测到了TaAs晶体中的外尔费米子，为人们寻找新型费米子提供了启示。

由于固体材料中的电子所处的“固体宇宙”只满足不连续的分立空间对称性，不同于宇宙的连续时空对称性，使得在固体中可能存在传统理论中没有的新型费米子。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，中科院物理所理论团队预言在一类具有WC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；中科院物理所的丁洪研究员和钱天副研究员指导博士生吕佰晴在上海光源“梦之线”的高分辨光电子能谱实验站以及瑞士光源成功解析出WC家族中的MoP的电子结构，首次实验发现突破传统分类的三重简并费米子。理论预言指出，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，这些独特的性质也表现在近期实验所观察到的WC的方向依赖输运行为，以及MoP的极低电阻行为。对这一家族材料的奇特现象的探索开启了“材料宇宙”中新型粒子的研究；三重简并费米子的发现对促进人们认识电子拓扑物态，发现新奇物理现象，发展新型电子器件，以及深入理解基本粒子性质都具有重要的意义。

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）。

此实验研究成果由中科院物理所、上海光源“梦之线”和瑞士光源ADRESS线站合作完成。“梦之线”是中科院物理研究所、上海应用物理研究所以及大连化学物理研究所合作建设成功的世界一流的同步辐射光电子实验系统，于2015年6月通过验收。运行开放至今，“梦之线”实验团队与中科院物理所、上海微系统所、北京大学、中国人民大学、复旦大学等多个研究组合作，取得了包括“外尔费米子”、“沙漏费米子”、“大能隙材料ZrTe₅的拓扑边界态”等重要成果，发表在Physical Review X、Science Advances等杂志上。

延伸阅读链接：

A new member in topological semimetals family (拓扑半金属家族新成员) 

https://academic.oup.com/nsr/article-lookup/doi/10.1093/nsr/nwx066