中国科学家实验发现新型手性费米子
日期 2019-03-29  来源:数理科学部  作者:倪培根 陈刚 姜向伟 郭海中

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图.(a)第一性原理计算的CoSi沿高对称线的体态能带结构,理论预言G和R点处的准粒子激发是手性的spin-1和charge-2费米子;(b)外尔费米子、狄拉克费米子、spin-1费米子、charge-2费米子的能带结构及陈数的示意图,非零陈数的简并点附近存在手性费米子;(c,d)沿R-X和G-M方向测量的体态能带色散,红色曲线是理论计算结果;(e)在(001)表面上实验测量的表面态的费米面;(f)从费米面数据中提取出的表面态费米弧;(g,h)围绕G和R点的表面投影的闭合路径loop#1和loop#2上存在手性的表面态能带,证实体态能带简并点具有非零的陈数。


  在国家自然科学基金项目(批准号:11622435,U1832202,11474340,11822412,11574371,11674369,11574394,11774423,11774399)等资助下,中国科学院物理研究所丁洪、钱天、孙煜杰等与中国人民大学雷和畅组成的联合研究团队在拓扑量子物态研究中取得重要进展。他们在拓扑半金属CoSi材料中发现了外尔费米子之外的新型手性费米子,为探索手性费米子相关的物理现象提供了新的途径。相关成果以“Observation of Unconventional Chiral Fermions with Long Fermi Arcs in CoSi”(在CoSi中观测到具有长费米弧的非传统手性费米子)为题于2019年3月20日在线发表在Nature(《自然》)期刊上。文章链接:https://www.nature.com/articles/s41586-019-1031-8。

  手性是指一个物体与其镜像不能重合的现象,比如我们的左手与右手。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。尽管九十年前理论预测了手性外尔费米子的存在,但至今尚未在粒子物理实验中被证实。在拓扑能带理论中,固体中某些能带简并点处的低能激发准粒子可以用手性费米子方程描述,为研究手性费米子提供了新途径。迄今为止,已在拓扑半金属中实验证明了三种无质量的费米子:狄拉克费米子、外尔费米子、三重简并费米子。其中,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,但可以通过外加条件打破其对称性,如外加磁场,将它们退简并成手性的外尔费米子。

  除了外尔费米子,理论上预言在固体中还存在多种新型的手性费米子,但实验证据仍然缺乏。在这些理论预言中,过渡金属单硅化物CoSi属于比较理想的材料。在不考虑自旋—轨道耦合的情况下,对电子能带以及声子谱的计算结果表明体态布里渊区的中心G和顶角R分别存在三重和四重的能带简并点。与之前实验证实的三重简并点和四重简并的狄拉克点不同,它们的低能准粒子激发是具有手性的费米子。

  中国科学院物理研究所和中国人民大学联合研究团队通过“抛光—轰击—退火”的方法,经过长时间的不断探索,在CoSi单晶样品上获得原子级平整的表面。在上海光源“梦之线”上观测到样品清晰的体态和表面态能带,测量结果显示布里渊区中心G和顶角R处存在体态能带简并点,与理论计算结果一致。通过分析表面态的能带色散和等能面,最终确定了体态能带简并点具有非零的陈数,其低能准粒子激发是手性的费米子。

  该发现不仅证明了新型手性费米子的存在,为拓扑量子物态家族添加了新成员,而且为手性费米子引起的新奇物理现象研究提供了一个较为理想的平台。