物理所等實驗發現外爾費米子

　　1928年，狄拉克提出了描述相對論電子態的狄拉克方程。1929年，德國科學家外爾（Hermann Weyl）指出，當質量為零時，狄拉克方程描述的是一對重疊的具有相反手性的新粒子，即外爾費米子。這種神奇的粒子帶有電荷，卻不具有質量。但是80多年過去了，人們一直沒有能夠在實驗中觀測到外爾費米子。中微子曾經被認為是外爾費米子，但是后來發現中微子其實是有質量的。近年來，拓撲絕緣體，尤其是拓撲半金屬等新奇量子態研究的快速發展為在凝聚態體系中實現和觀測外爾費米子提供了新的思路。其中備受矚目的就是找到真實的外爾半金屬材料。當兩個自旋非簡并的能帶在費米能級附近線性交叉時，其低能準粒子激發態與外爾費米子的行為一致，這類材料體系被稱為外爾半金屬。理論預言，由于外爾費米子態的存在，外爾半金屬會呈現出諸多奇異的物理現象，比如在體能帶結構中成對出現，具有相反手性的外爾錐；在晶體表面上有連接兩個外爾點表面投影的開放的費米面，即費米弧。此外，由于不同手性外爾費米子互相分離，會導致奇特的手性反常效應。所謂手性反常，是指材料中具有某種確定手性的電子的數量在某些條件下不守恒。直觀的說，就是當外加的磁場平行于電場時，在磁場不是很大的情況下，體系的電阻隨磁場的增加迅速減少，即負的磁電阻現象。外爾費米子這些優異的性質使其在新型電子器件開發和拓撲量子計算等領域有著廣泛的潛在應用前景。

　　 如何找到合適的外爾半金屬材料體系是一個極具挑戰性的科學問題，也是該領域國際競爭的焦點之一。突破來自狄拉克半金屬材料理論預言與實驗證實，人們在這類拓撲半金屬里實現了無質量的狄拉克電子態。自然希望通過解除其狄拉克錐上的自旋簡并，使其劈裂成手性的外爾錐，從而將其調制為外爾半金屬。這一過程可以通過破缺時間或空間反演對稱性來實現。按照這一思路，眾多理論和實驗工作迅速開展。然而，這些理論預言大多是通過引入磁性原子破壞時間反演對稱性或者通過連續摻雜調控組分及能帶結構實現外爾電子態。體系中磁性原子帶來的磁疇以及雜質原子對平移對稱性的破壞無疑會嚴重阻礙實驗上對外爾費米子本征性質的研究。

　　 最近，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室（籌）翁紅明、方忠、戴希及其合作者，通過第一性原理計算，首次理論預言TaAs家族材料是外爾半金屬【H. Weng et al., Phys. Rev. X 5, 011029 (2015)】。與之前的理論預言不同，TaAs這類材料通過破缺空間反演對稱性實現外爾電子態，并且無需進行摻雜等細致繁復的調控有利于實驗的驗證。這一結果立刻引起了實驗物理學家的重視，許多研究組開始了競賽般的實驗驗證工作。

　　 其中，物理所陳根富小組首先制備出了高質量TaAs晶體，丁洪小組副研究員錢天與博士生呂佰晴利用上海光源“夢之線”ARPES實驗站立即對TaAs（001）表面電子態進行了高精度測量。通過與翁紅明、戴希、方忠緊密合作，結合第一性原理計算結果，證實了表面費米弧的存在，并且確定了費米弧與外爾點在（001）表面投影的連接方式，提供了TaAs材料外爾電子態的直接實驗證據【B. Q. Lv, H. Weng et al., Phys. Rev. X 5, 031013 (2015)】。隨后，丁洪小組及其瑞士保羅謝勒研究所的合作者進一步測量了TaAs體電子態，直接觀測到外爾點及其附近的三維狄拉克錐，提供了進一步的實驗證據【B. Q. Lv, N. Xu, H. Weng et al., Nat. Phys.（DOI: 10.1038/NPHYS3426）(2015)】。與此同時，陳根富小組的博士生黃筱淳和趙凌霄通過精確的電輸運測量，首次在TaAs單晶中觀測到了由手性反常導致的負磁阻效應，進一步從輸運的角度證明了外爾費米子的存在【X. C. Huang, L. X. Zhao et al., Phys. Rev. X 5, 031023 (2015)】。在該實驗過程中，研究員呂力給予了極大幫助。以上一系列工作是自1929年外爾費米子被提出以來，首次在凝聚態物質中證實存在外爾費米子態，具有非常重要的科學意義。

　　 這些工作得到了科技部“973”項目、國家自然科學基金委和中國科學院先導B項目的支持。