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    中國科學家實驗發現新型手性費米子

    日期 2019-03-29   來源:數理科學部   作者:倪培根 陳剛 姜向偉 郭海中  【 】   【打印】   【關閉

    圖.(a)第一性原理計算的CoSi沿高對稱線的體態能帶結構,理論預言G和R點處的準粒子激發是手性的spin-1和charge-2費米子;(b)外爾費米子、狄拉克費米子、spin-1費米子、charge-2費米子的能帶結構及陳數的示意圖,非零陳數的簡并點附近存在手性費米子;(c,d)沿R-X和G-M方向測量的體態能帶色散,紅色曲線是理論計算結果;(e)在(001)表面上實驗測量的表面態的費米面;(f)從費米面數據中提取出的表面態費米弧;(g,h)圍繞G和R點的表面投影的閉合路徑loop#1和loop#2上存在手性的表面態能帶,證實體態能帶簡并點具有非零的陳數

      在國家自然科學基金項目(批準號:11622435,U1832202,11474340,11822412,11574371,11674369,11574394,11774423,11774399)等資助下,中國科學院物理研究所丁洪、錢天、孫煜杰等與中國人民大學雷和暢組成的聯合研究團隊在拓撲量子物態研究中取得重要進展。他們在拓撲半金屬CoSi材料中發現了外爾費米子之外的新型手性費米子,為探索手性費米子相關的物理現象提供了新的途徑。相關成果以“Observation of Unconventional Chiral Fermions with Long Fermi Arcs in CoSi”(在CoSi中觀測到具有長費米弧的非傳統手性費米子)為題于2019年3月20日在線發表在Nature(《自然》)期刊上。文章鏈接:https://www.nature.com/articles/s41586-019-1031-8。

      手性是指一個物體與其鏡像不能重合的現象,比如我們的左手與右手。在相對論物理中,手性是指無質量粒子的自旋和動量方向平行或者反平行。盡管九十年前理論預測了手性外爾費米子的存在,但至今尚未在粒子物理實驗中被證實。在拓撲能帶理論中,固體中某些能帶簡并點處的低能激發準粒子可以用手性費米子方程描述,為研究手性費米子提供了新途徑。迄今為止,已在拓撲半金屬中實驗證明了三種無質量的費米子:狄拉克費米子、外爾費米子、三重簡并費米子。其中,只有外爾費米子具有手性,狄拉克費米子和三重簡并費米子本身沒有手性,但可以通過外加條件打破其對稱性,如外加磁場,將它們退簡并成手性的外爾費米子。

      除了外爾費米子,理論上預言在固體中還存在多種新型的手性費米子,但實驗證據仍然缺乏。在這些理論預言中,過渡金屬單硅化物CoSi屬于比較理想的材料。在不考慮自旋—軌道耦合的情況下,對電子能帶以及聲子譜的計算結果表明體態布里淵區的中心G和頂角R分別存在三重和四重的能帶簡并點。與之前實驗證實的三重簡并點和四重簡并的狄拉克點不同,它們的低能準粒子激發是具有手性的費米子。

      中國科學院物理研究所和中國人民大學聯合研究團隊通過“拋光—轟擊—退火”的方法,經過長時間的不斷探索,在CoSi單晶樣品上獲得原子級平整的表面。在上海光源“夢之線”上觀測到樣品清晰的體態和表面態能帶,測量結果顯示布里淵區中心G和頂角R處存在體態能帶簡并點,與理論計算結果一致。通過分析表面態的能帶色散和等能面,最終確定了體態能帶簡并點具有非零的陳數,其低能準粒子激發是手性的費米子。

      該發現不僅證明了新型手性費米子的存在,為拓撲量子物態家族添加了新成員,而且為手性費米子引起的新奇物理現象研究提供了一個較為理想的平臺。




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