“三重簡并費米子”的特點和發現的意義

魏亮

英國《自然》雜志2017年6月19日在線發表了中國科學院物理研究所的一項最新成果，該所科研團隊首次發現了突破傳統分類的新型費米子——三重簡并費米子，為固體材料中電子拓撲態研究開辟了新的方向。該發現從理論預言、樣品制備到實驗觀測的全過程，均由中國科學家獨立完成。

組成宇宙的基本粒子可分為玻色子和費米子。費米子是自旋量子數為半整數的基本粒子，遵從泡利不相容原理，即一個量子態只能被一個粒子所占據。量子場論和相對論告訴我們，宇宙中遵守費米統計的費米子只可能有三種，即有質量的狄拉克費米子、無質量的具有相反手性的外爾費米子、正反粒子相同的馬約拉納費米子。在特定條件下，一個帶有四重簡并度的狄拉克費米子可以分成一對帶有兩重簡并度的外爾費米子或馬約拉納費米子。（在量子力學中，若一個能級與一種以上的狀態相對應，則稱之為簡并能級，屬于同一能級的不同狀態的數目稱為該能級的簡并度，或稱作幾重簡并。）目前在真實宇宙中只發現了狄拉克費米子，人們所熟知的電子、質子、中子等就屬于狄拉克費米子。近年已在 “固體宇宙”中發現了外爾費米子，并有馬約拉納費米子存在的較強實驗證據。與時空連續的宇宙空間不同，電子所處的“固體宇宙”只滿足不連續的分立空間對稱性，這就可能導致傳統理論中所沒有的新型費米子。尋找新型費米子是近年來拓撲物態領域一個挑戰性的前沿科學問題，也是該領域國際競爭的焦點之一。

2016年4月，中科院物理所科研人員翁紅明、方辰、戴希、方忠預言在一類具有碳化鎢晶體結構的材料中存在三重簡并的電子態，其準粒子就是三重簡并費米子，它對外加磁場的方向敏感，使得含有它的母體材料具有磁場方向依賴的輸運性質。近期，該所陳根富研究組在碳化鎢中觀測到與狄拉克半金屬和外爾半金屬顯著不同的方向依賴輸運行為，緊接著德國馬克斯-普朗克研究所的科學家在磷化鉬中觀測到極低電阻行為，這些都有可能是這種新型費米子的獨特表現。