实验发现外尔费米子 - 中国科学院物理研究所

中国科学院物理研究所

北京凝聚态物理国家研究中心

EX7组供稿

第34期

2015年08月27日

实验发现外尔费米子

　　1928年，狄拉克提出了描述相对论电子态的狄拉克方程。1929年，德国科学家外尔（Hermann Weyl）指出，当质量为零时，狄拉克方程描述的是一对重叠的具有相反手性的新粒子，即外尔费米子。这种神奇的粒子带有电荷，却不具有质量。但是80多年过去了，人们一直没有能够在实验中观测到外尔费米子。中微子曾经被认为是外尔费米子，但是后来发现中微子其实是有质量的。近年来，拓扑绝缘体，尤其是拓扑半金属等新奇量子态研究的快速发展为在凝聚态体系中实现和观测外尔费米子提供了新的思路。其中备受瞩目的就是找到真实的外尔半金属材料。当两个自旋非简并的能带在费米能级附近线性交叉时，其低能准粒子激发态与外尔费米子的行为一致，这类材料体系被称为外尔半金属。理论预言，由于外尔费米子态的存在，外尔半金属会呈现出诸多奇异的物理现象，比如在体能带结构中成对出现，具有相反手性的外尔锥；在晶体表面上有连接两个外尔点表面投影的开放的费米面，即费米弧。此外，由于不同手性外尔费米子互相分离，会导致奇特的手性反常效应。所谓手性反常，是指材料中具有某种确定手性的电子的数量在某些条件下不守恒。直观的说，就是当外加的磁场平行于电场时，在磁场不是很大的情况下，体系的电阻随磁场的增加迅速的减少，即负的磁电阻现象。外尔费米子这些优异的性质使其在新型电子器件开发和拓扑量子计算等领域有着广泛的潜在应用前景。
　　如何找到合适的外尔半金属材料体系是一个极具挑战性的科学问题，也是该领域国际竞争的焦点之一。突破来自狄拉克半金属材料理论预言与实验证实，人们在这类拓扑半金属里实现了无质量的狄拉克电子态。自然希望通过解除其狄拉克锥上的自旋简并，使其劈裂成手性的外尔锥，从而将其调制为外尔半金属。这一过程可以通过破缺时间或空间反演对称性来实现。按照这一思路，众多理论和实验工作迅速开展。然而，这些理论预言大多是通过引入磁性原子破坏时间反演对称性或者通过连续掺杂调控组分及能带结构实现外尔电子态。体系中磁性原子带来的磁畴以及杂质原子对平移对称性的破坏无疑会严重阻碍实验上对外尔费米子本征性质的研究。
　　最近，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室（筹）翁红明、方忠、戴希及其合作者，通过第一性原理计算，首次理论预言TaAs家族材料是外尔半金属[1]。与之前的理论预言不同，TaAs这类材料通过破缺空间反演对称性实现外尔电子态，并且无需进行掺杂等细致繁复的调控有利于实验的验证。这一结果立刻引起了实验物理学家的重视，许多研究组开始了竞赛般的实验验证工作。
　　其中，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室（筹）陈根富小组首先制备出了高质量TaAs晶体，丁洪小组的钱天副研究员与吕佰晴博士生利用上海光源“梦之线”ARPES实验站立即对TaAs（001）表面电子态进行了高精度测量。通过与翁红明、戴希、方忠紧密合作，结合第一性原理计算结果，证实了表面费米弧的存在，并且确定了费米弧与外尔点在（001）表面投影的连接方式，提供了TaAs材料外尔电子态的直接实验证据[2]。随后，丁洪小组及其瑞士保罗谢勒研究所的合作者进一步测量了TaAs体电子态，直接观测到外尔点及其附近的三维狄拉克锥，提供了进一步的实验证据[3]。与此同时，陈根富小组的博士生黄筱淳和赵凌霄同学通过精确的电输运测量，首次在TaAs单晶中观测到了由手性反常导致的负磁阻效应，进一步从输运的角度证明了外尔费米子的存在[4]。在该实验过程中，吕力研究员给予了极大帮助。以上一系列工作是自1929年外尔费米子被提出以来，首次在凝聚态物质中证实存在外尔费米子态，具有非常重要的科学意义。
　　这些工作得到了科技部973项目、国家自然科学基金委和中国科学院先导B项目的支持。
[1] H. Weng et al., Phys. Rev. X 5, 011029 (2015)
[2] B. Q. Lv, H. Weng et al., Phys. Rev. X 5, 031013 (2015)
[3] B. Q. Lv, N. Xu, H. Weng et al., Nat. Phys. （DOI: 10.1038/NPHYS3426） (2015)
[4] X. C. Huang, L. X. Zhao et al., Phys. Rev. X 5, 031023 (2015)

图1 实验和计算获得的TaAs (001)表面态费米弧

图2 TaAs体态外尔点和表面态费米弧的关系

图3 TaAs的负磁阻现象