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  • 1 # 飛賊克斯和康德馬特

    在自然界中,真實的粒子可以分成兩類:玻色子和費米子。前者的自旋為整數,服從玻色-愛因斯坦統計,允許在同一狀態下有無數個粒子,例如形成玻色-愛因斯坦凝聚體。後者的自旋為半整數,服從費米-狄拉克統計,根據泡利不相容原理,同一組量子態只允許一個粒子佔據,例如在固體材料中電子無法“籠絡”在同一個能量,只能形成複雜的能帶結構和費米麵。根據時空對稱性,費米子又可以分成三種:狄拉克費米子、外爾費米子和馬約拉納費米子,其中狄拉克費米子就是我們比較熟悉的電子、中子等自旋為半整數的粒子(有質量),而外爾費米子(無質量)和馬約拉納費米子(反粒子為其自身)目前並沒有真正發現獨立存在。

    在固體材料中,因為它們具有洛倫茲不變數、時空結構不連續、遵守230種晶體空間群而不是龐加萊群,所以是允許存在新的費米準粒子(實際上就是“穿衣服的電子”,即考慮電子與其他粒子相互作用之後的模型化粒子),與粒子物理中傳統意義上的費米粒子沒有直接的對應關係。判斷是否存在費米準粒子的標準,就是固體材料中能帶是否存在“結點”,例如狄拉克費米子產生於兩個線效能帶的交叉的狄拉克錐點,是四重簡併的;外爾費米子則是兩個狄拉克錐的結點(動量空間的磁單極子),是兩重簡併的;簡單來說就是狄拉克費米子是四根色散曲線兩兩合併,然後再交叉,而外爾費米子就是四根色散曲線兩兩交叉。原則上,在固體材料中,一些具有特殊晶體空間群的材料中可能存在三重、六重、八重能帶簡併點,那麼就有可能存在三重簡併、六重簡併、八重簡併的費米準粒子。

    2016年4月,中科院物理所翁紅明、方辰、戴希、方忠預言在一類具有碳化鎢(WC)晶體結構的材料中存在三重簡併的費米準粒子,接著國際上一系列理論計算表明其他具有類似WC晶體結構的材料(如MoP)也存在三重簡併費米準粒子。實驗上,要證明三重簡併費米準粒子的存在需要尋找到三重簡併的能帶結構。然而,WC的樣品製備和測量開始遇到了困難,科學家轉而把關注點放在MoP上。2017年,中科院物理所的翁紅明、方辰、石友國、丁洪、錢天等一起合作,在MoP單晶中用角分辨光電子能譜儀觀測到三重簡併點,確認其附近準粒子激發被稱為三重簡併費米子(Nature 546, 627-631 (2017))。然而這個工作只證明了三重簡併半金屬態,其實並沒有確定其拓撲性質。之後,丁洪、錢天、陳根富、翁紅明等終於成功測量到了WC中的三重簡併費米子,並發現了與拓撲性質相關的費米弧表面態,至此,完全確立裡三重簡併費米準粒子是由能帶拓撲性質造成的(

    Nature Physics 14, 349–354 (2018))。

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