中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心研究員丁洪、錢(qián)天和副研究員孫煜杰團(tuán)隊(duì)與中國(guó)人民大學(xué)物理學(xué)系雷和暢等合作者共同發(fā)現(xiàn)三維材料CoSi中存在新型手性費(fèi)米子的確定證據(jù)。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了新型手性費(fèi)米子的存在，為探索由手性費(fèi)米子引起的新奇物理現(xiàn)象提供了一個(gè)較為理想的平臺(tái)。相關(guān)研究成果于3月20日發(fā)表在《自然》上。
手性是指一個(gè)物體與其鏡像不能重合的現(xiàn)象，比如我們的雙手，左右與右手不能重合。手性現(xiàn)象在自然界中廣泛存在，在物理學(xué)中表示一種重要的“對(duì)稱性”。在相對(duì)論物理中，手性是指無(wú)質(zhì)量粒子的自旋和動(dòng)量方向平行或者反平行，盡管90年前理論預(yù)測(cè)了存在無(wú)質(zhì)量手性費(fèi)米子——外爾費(fèi)米子，但它們作為基本粒子的存在尚未經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)。
論文通訊作者之一錢(qián)天告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，在固體中，一些材料的體態(tài)電子結(jié)構(gòu)因某些對(duì)稱性或者拓?fù)涞谋Ｗo(hù)致使能帶交叉時(shí)不會(huì)雜化，出現(xiàn)能帶簡(jiǎn)并。這個(gè)特征介于金屬和絕緣體或半導(dǎo)體之間，屬于半金屬材料，也被稱為拓?fù)浒虢饘�。在�?jiǎn)并點(diǎn)附近會(huì)激發(fā)各種類型的費(fèi)米準(zhǔn)粒子。
迄今為止，實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明“固體宇宙”中存在3種費(fèi)米準(zhǔn)粒子：四重簡(jiǎn)并的狄拉克費(fèi)米子、二重簡(jiǎn)并的外爾費(fèi)米子、以及三重簡(jiǎn)并費(fèi)米子。只有外爾費(fèi)米子具有手性，狄拉克費(fèi)米子和三重簡(jiǎn)并費(fèi)米子本身沒(méi)有手性。錢(qián)天表示，“可以通過(guò)破缺對(duì)稱性，比如外加磁場(chǎng)，將它們退簡(jiǎn)并成手性的外爾費(fèi)米子。”
全新的奇特拓?fù)淞孔硬牧系依税虢饘俸腿睾?jiǎn)并點(diǎn)半金屬中表現(xiàn)出的許多物理性質(zhì)，例如手性反常導(dǎo)致的負(fù)磁阻效應(yīng)和表面態(tài)費(fèi)米弧，本質(zhì)上都是來(lái)源于手性的外爾費(fèi)米子。
“現(xiàn)有的理論已經(jīng)證明，在“固體宇宙”中還存在著多種類型的除外爾費(fèi)米子以外的手性費(fèi)米子以及相關(guān)的材料，但直接的實(shí)驗(yàn)證據(jù)仍然缺乏。”錢(qián)天說(shuō)，在眾多關(guān)于新型手性費(fèi)米子的理論預(yù)言中，過(guò)渡金屬硅化物CoSi屬于能帶結(jié)構(gòu)比較理想的材料。也正因如此，該材料引起了國(guó)際上多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)的關(guān)注。
角分辨光電子能譜實(shí)驗(yàn)可以提供直接的證據(jù)，但需要原子級(jí)平整的樣品表面。由于CoSi是三維材料，傳統(tǒng)的解理方法獲得的表面無(wú)法滿足實(shí)驗(yàn)要求。論文通訊作者之一孫煜杰和論文第一作者、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)博士生饒志成借助“拋光－轟擊－退火”的方法，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的不斷摸索，終于在CoSi單晶樣品上得到原子級(jí)平整的表面，并在上海光源“夢(mèng)之線”觀測(cè)到清晰的體態(tài)和表面態(tài)能帶。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示在體布里淵區(qū)的中心和角落處存在體態(tài)能帶簡(jiǎn)并點(diǎn)，并通過(guò)分析表面態(tài)確定了簡(jiǎn)并點(diǎn)處存在手性的費(fèi)米子，這與理論計(jì)算結(jié)果高度吻合。
饒志成告訴記者，日本、美國(guó)、英國(guó)的3個(gè)研究團(tuán)隊(duì)也同時(shí)在CoSi這一類材料中尋找新型手性費(fèi)米子的證據(jù)，但中國(guó)科學(xué)家在樣品質(zhì)量、數(shù)據(jù)質(zhì)量等方面獲得了最高質(zhì)量的結(jié)果。
“尋找物理世界中的新事物，很多首先是理論預(yù)言，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行樣品制備、實(shí)驗(yàn)觀測(cè)進(jìn)行‘判定’，最終確定某種現(xiàn)象或是物態(tài)存在或不存在，但對(duì)于其是否具備某些性質(zhì)甚至最終實(shí)用價(jià)值如何，還需要更多的研究。”孫煜杰表示。
科學(xué)家認(rèn)為，此次發(fā)現(xiàn)外爾費(fèi)米子之外的新型手性費(fèi)米子不僅是拓?fù)浒虢饘兕I(lǐng)域上的突破，也可以為探索手性費(fèi)米子相關(guān)的物理現(xiàn)象提供更多的途徑，具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。
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