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當“外爾”遇上了重費米子

編輯:zyz 來源:浙大新聞辦 時間:2018年11月07日 訪問次數:924  源地址

近日,浙大關聯物質研究中心袁輝球教授帶領的研究團隊在重費米子體系中發現外爾費米子存在的實驗證據,將外爾半金屬的研究拓展到強關聯電子體系中,為研究電子關聯效應與能帶拓撲結構的相互作用提供了新的平臺。

這項研究成果發表在11月5日上線的知名期刊《自然通訊》(Nature Communications)。物理學系博士研究生郭春煜為論文第一作者,袁輝球為論文通訊作者,團隊主要成員包括關聯物質研究中心的劉洋研究員和Michael Smidman研究員以及杭州師范大學物理系的曹超教授。



“拓撲”與外爾費米子

我們可以用兩樣生活中常見的東西來解釋什么是拓撲:甜甜圈和咖啡杯。咖啡杯的把手與杯身形成一個孔洞,甜甜圈也有個孔洞,只要這個孔洞沒有消失,同時也沒有產生新的孔洞,它們在拓撲的層面上是相同的。也就是說,物體的拓撲性質精簡了具體的幾何細節,只考慮幾何不變性的特征。拓撲學最早指的是地質學中的地形、地貌研究,而幾何拓撲學則是形成于十九世紀的一門數學分支。近年來,拓撲學這個概念被引入到凝聚態物質中,用來研究固體材料的能帶結構及相關電子性質。

外爾費米子是德國科學家威爾曼·外爾在1929年預言的,是一種零質量的費米子。此后近一個世紀的時間里,物理學界一直沒有放棄對它的探求。最近人們發現,一些凝聚態材料中的準粒子激發與外爾費米子相似,這為尋找外爾費米子開拓了新的方向,具有重要物理意義。另外,由于受到拓撲保護,具有相反手性的兩個外爾費米子之間的散射很弱,這對解決當前電子器件小型化和多功能化所面臨的能耗問題具有重要應用價值。

外爾費米子變“重”了

在先前發現的大部分外爾半金屬材料中,電子之間的相互作用都比較弱,其物理圖像相對簡單。“電子關聯效應對拓撲量子態有什么影響?外爾費米子是否可以存在于一些強關聯電子體系?這是物理學家們更關心的一個問題。”袁輝球這樣說。

重費米子材料是一類典型的具有強電子相互作用的材料體系,主要存在于鑭系和錒系化合物中。顧名思義,重費米子體系的電子有效質量很“重”,可達自由電子質量的1000倍以上。人們普遍認為,這種有效質量的增加是電子之間通過近藤效應產生的。先前的研究表明,重費米子體系具有豐富的宏觀量子現象,是研究非常規超導和絕對零度下的量子相變的理想材料體系。那么,在這樣一類關聯電子材料中,是否存在外爾費米子等拓撲量子態呢?

從字面意思來看,重費米子和外爾費米子的概念似乎是矛盾的。外爾費米子在理論上來說是沒有質量的,而重費米子的有效質量卻很重。一個沒有質量的粒子又怎么會“重”呢?實際上,外爾費米子的“零質量”是指一種獨特的能量色散關系:在外爾節點附近,外爾費米子的能量與它的波矢成正比關系,其比例系數是個常數。若外爾節點位于費米能級附近,該常數即為費米速度。在重費米子材料中,由于電子有效質量大,它的運動速度遠低于普通材料中的電子,但其能量同樣可以遵循線性色散關系。



通過多種宏微觀性質的實驗測量,并結合能帶計算,袁輝球團隊首次在重費米子材料YbPtBi中發現了外爾費米子的實驗證據,觀察到了外爾電子態隨電子相互作用變化所呈現出來的一些新穎性質。這些發現不同于先前研究的其它材料體系,為研究拓撲態與電子關聯效應以及拓撲相變提供了一個新的平臺。論文審稿人指出,“該工作將成為研究具有近藤相互作用的外爾費米子半金屬的一個范例”。

該項研究受到國家重點研發項目、國家自然科學基金委以及科學挑戰專項的資助。

(文 史又月/攝影 盧紹慶)


論文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-018-06782-1

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