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物理研究所等实验开采外尔费米子,专访国际物

2019-08-10 04:57

12月8日,中国科学院物理研究所研究员翁红明受邀作客中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学论坛,并作了题为《拓扑半金属》(Topological Semimetals)的学术报告。

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拓扑半金属是不同于拓扑绝缘体的一类全新拓扑量子态,是当前凝聚态物理的研究热点之一。和普通金属相比,拓扑半金属的费米面有且只有能带交叉点。这些能带交叉点构成了晶格动量空间的磁单极子。根据磁单极子在晶格动量空间的分布,拓扑半金属可以分为拓扑狄拉克半金属、外尔半金属和Node-Line半金属,组成拓扑半金属“三重奏”。在前两种拓扑半金属中,磁单极子在晶格动量空间中的位置是一些孤立的点。这两种拓扑半金属已经有材料的理论预言并得到了实验上的证实,譬如狄拉克半金属Na3Bi和Cd3As2以及外尔半金属TaAs家族。

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。

2016年的诺贝尔物理学奖授予了三位美国科学家,表彰他们“理论发现拓扑相变和拓扑相物质”。如今,物质的拓扑相已经被扩展到绝缘体和金属。拓扑半金属是不同于拓扑绝缘体的一类全新拓扑量子态,是当前凝聚态物理研究热点之一。根据磁单极子在晶格动量空间的分布,拓扑半金属可以分为拓扑狄拉克半金属、外尔半金属、Node-Line半金属和多重点半金属。前两种拓扑半金属已经有材料的理论预言得到了实验上的证实,后两种已有理论工作提出候选材料,但还未在实验上得到观测。在报告中,翁红明介绍了他们在具体材料中对各类拓扑半金属的理论预言,这些理论预言引领并推动该领域的研究进入新的阶段。

中科院物理所外尔费米子研究团队,从左至右分别为戴希、方忠、翁红明、钱天、丁洪、陈根富

在拓扑Node-Line 半金属中,能带的交叉点在晶格动量空间形成连续闭合的曲线。这个曲线投影到材料的某些表面上时会形成闭合的圈,圈内会出现受体态拓扑保护的能量色散非常小的鼓膜状二维表面平带。在这种表面平带中引入电子关联效应或超导配对有望实现分数拓扑态或高转变温度超导等。但是到目前为止,这种新颖的Node-line半金属还未在实验上得到观测,材料的理论预测也很匮乏。

402com永利1站,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。

翁红明,中科院物理所研究员。2005年毕业于南京大学物理学系,获博士学位。2007年至2010年,于日本北陆先端大任助理教授。2010年7月获物理所“百人计划”回国工作。2014年获基金委优秀青年基金资助。研究领域为计算凝聚态物理,主要研究方向包括发展和完善第一性原理计算方法及程序,并用于研究拓扑量子态,预言拓扑材料等。迄今共发表SCI论文80余篇,总引用3500余次。其所在团队“理论预言并实验发现外尔半金属”的研究工作入选英国物理学会《物理世界》2015年十大突破之一、入选美国物理学会《物理》2015年度八大亮点工作之一、入选2015年中国科学十大进展之一等。

2014年11月,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室的副研究员翁红明、研究员方忠和戴希与日本东北大学教授Yoshiyuki Kawazoe合作,通过理论计算,预言了一种新的全碳单质——Mackay-Terrones晶体可以实现Node-Line 拓扑半金属态 (见arXiv: 1411.2175),并给出了实现Node-line半金属态的具体条件和判据。计算结果显示,由于该晶体的立方对称性,这样的Node-Line在布里渊区中有三个,在它的表面上存在鼓膜状的二维平带。该工作经过长时间审稿后,发表于Phys. Rev. B 92,045108。

最近,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室翁红明、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【H. Weng et al., Phys. Rev. X 5, 011029 。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。

文 | 李晓明

这个工作引起了许多研究小组的兴趣,自2015年4月起,在arXiv网站上出现了十多个跟进研究工作。其中包括2015年4月,翁红明、方忠、戴希与日本NIMS的余睿及胡晓合作,通过理论计算,预言反钙钛矿结构的Cu3PdN系列材料在忽略自旋轨道耦合的时候也是Node-Line三维半金属材料。Node-Line的数目和形状,以及表面平带等与全碳Mackay-Terrones 晶体类似。考虑自旋轨道耦合后,每条Node-Line都退化成一对狄拉克点,系统变成具有三对狄拉克点的狄拉克半金属,这有别于只有一对狄拉克点的Na3Bi和Cd3As2。该工作与C. L. Kane等人同时独立完成的类似工作“背靠背”发表于Phys. Rev. Lett. 115, 036807。

其中,物理所陈根富小组首先制备出了高质量TaAs晶体,丁洪小组副研究员钱天与博士生吕佰晴利用上海光源“梦之线”ARPES实验站立即对TaAs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【B. Q. Lv, H. Weng et al., Phys. Rev. X 5, 031013 。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【B. Q. Lv, N. Xu, H. Weng et al., Nat. Phys.(DOI: 10.1038/NPHYS3426)。与此同时,陈根富小组的博士生黄筱淳和赵凌霄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【X. C. Huang, L. X. Zhao et al., Phys. Rev. X 5, 031023 。在该实验过程中,研究员吕力给予了极大帮助。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。

12月11日,中科院物理所“外尔费米子研究”入选英国物理学会《物理世界》(Physics World)公布的“2015年十大科学突破”,消息立刻在科学圈里传开了。

这两个工作对拓扑半金属家族的第三个成员Node-Line半金属做出了材料预言,推动并引领了对该拓扑半金属态及其相关材料的研究,有望加快实现拓扑半金属“三重奏”。

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。

当天晚上,当《知识分子》联系上该团队负责人之一方忠研究员时,他正在香港准备第二天的学术交流报告,电话那头的他难掩兴奋之情:“能够得到大家的认可,非常高兴”。

上述工作得到了科技部“973”项目(No. 2011CBA00108,No. 2013CB921700)和中国科学院先导B项目(No. XDB07020100)的支持。

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《物理世界》“年度十大突破”自2009年发布以来,在学术界具有重要权威性,入选的科学研究要符合:具有至关重要性;对科学知识有显著推进;理论与实验具有紧密联系;为所有物理学家普遍关注等条件。

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- Eureka:发现固体“宇宙”中的外尔费米子 -

图1. Weyl半金属:能带交叉点是动量空间中的磁单极。具有不同手性的磁单极成对出现并相互分离; Dirac半金属:具有不同手性的磁单极在动量空间重合,形成四重简并Dirac点; Node-Line半金属:能带交叉点在动量空间形成连续闭合的曲线。

图1 实验和计算获得的TaAs 表面态费米弧

外尔费米子(Weyl fermions)是一种无质量且具有“手性”的电子,这个80多年前被著名物理学家外尔所预言的神秘电子,终于在2015年年初第一次出现在科学家的眼前。

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Eureka!(我发现了!)该团队另一位负责人丁洪这样描述他在实验观测中“看到”外尔费米子时无法言表的激动心情,“我想起了2000多年前古希腊物理学家阿基米德发现浮力那一刻兴奋的喊声。”

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图2 TaAs体态外尔点和表面态费米弧的关系

丁洪是北京凝聚态国家实验室常务副主任和首席科学家,2015年初其小组和普林斯顿大学Hasan小组同时和独立发现了“外尔费米子”的存在。

图2. 左上:Mackay-Terrones 晶体结构示意图;电子能带结构;下:能带交叉形成的Node-Line结构;右上:方向表面态及平带结构。

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“这是一个跨越世纪的重要物理发现”,在外尔费米子研究获奖的前一天,12月10日,丁洪在上海交大为现场的学生作报告。

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图3 TaAs的负磁阻现象

时间可以追溯到20世纪物理学的黄金时代。1928年,狄拉克提出描述电子的相对论方程。

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1929年德国数学家和物理学家外尔在狄拉克方程的基础上预言一种无质量的具有相反“手性”的粒子,被称为外尔费米子,其性质跟狄拉克磁单极一样都没有得到实验证实,在当时因为其违反“左右”对称性(即宇称守恒)而未被广泛接受。

图3. Cu3PdN晶体结构、电子能带结构以及布里渊区中的Node-Line分布。

1957年杨振宁和李政道提出宇称不守恒后,人们很快意识到中微子可能就是一种具有“左手性”的外尔费米子。但1998年以来发现的中微子振荡(今年的诺贝尔物理学奖)——即具有微小质量——又否定了它的外尔费米子属性,这也使固体宇宙中是否存在“外尔”基本粒子成为一个科学之迷。

随着1980年整数量子霍尔效应,尤其是近十年来拓扑绝缘体的发现和研究,人们认识到外尔费米子的特性可以在凝聚态体系的低能激发中实现。

与先发现狄拉克方程,再提出外尔方程类似,人们首先观测到了无质量的狄拉克费米子(例如2004发现的石墨稀就具有无质量狄拉克费米子的“准粒子”),然后在非中心对称TaAs家族中发现带“手性”的外尔费米子。

一场验证跨越世纪的重要物理学预言、空前激烈的国际科学竞赛由此拉开帷幕。

- 空前激烈的国际竞争 -

中国科学家近年来在这一领域取得了一系列突破,预言了可能的外尔半金属材料,并最终成功实现了外尔费米子的独立观测。

2011年,南京大学物理学院万贤纲教授与加州大学戴维斯分校的Sergey Savrasov教授、加州大学伯克利分校的Ashivin Vishwanath合作,通过理论计算首次认为烧绿石结构的铱氧化物可能是磁性外尔半金属。

就在同一年,中科院物理所方忠、戴希团队也预言铁磁尖晶石(HgCr2Se4)属于外尔半金属。但两个提议都需要实验进一步验证。

关键的突破来自狄拉克半金属的发现。2012年和2013年,中科院物理所方忠、戴希研究组理论预言Na3Bi和Cd3As2是狄拉克半金属,并在2014年证实了这一理论预言,是世界上首次发现三维版本的石墨烯。

这也是首次在三维空间实现无质量(即线性色散)的电子态,由于某些对称性的保护,两种手性相反的外尔费米子叠加在一起,没有分开。这向实现相互分离的手性外尔费米子的实验观测走出了关键性的一步。

相关工作一经公开,国际上众多实验和理论工作迅速开展,发现真实的外尔半金属材料成为激烈竞争的科学前沿。

中国科学院物理所翁红明、戴希、方忠通过理论计算第一次预言TaAs, TaP, NbAs和NbP等打破中心对称的家族材料属于外尔半金属。不同于以往的理论方案,这一系列材料能自然合成,没有磁性且无需进行掺杂等细致繁复的调控,非常有利于实验验证。

他们的这一发现率先于2014年12月31日在arXiv网站对全世界公开,立即受到热切关注,国际上多个研究组开始了竞赛般的实验发现工作。

2015年1月5日,来自普林斯顿大学的Hasan小组写信告知中科院物理所团队他们也有类似的理论工作,并同时将论文张贴在arXiv网站。

中科院物理所陈根富小组首先制备出了具有原子级平整表面的大块TaAs晶体。北京大学的贾爽小组也几乎同时制备出了TaAs晶体。

1月初丁洪小组利用他们刚在上海光源建成的“梦之线”同步辐射X射线对TaAs晶体进行了精确地测量,首次观测到TaAs表面态存在费米弧。

2015年2月底他们又在瑞士光源第一次观测到体态中的外尔点及其附近的四维外尔锥。而表面态的费米弧和体态中的外尔锥正是视为外尔半金属的最根本特性。实验中观测到他们也正式标志着外尔费米子的最终发现。

此时的竞争之激烈已经不言而喻。即使在春节里,中国的科学家们也在加班。最终,就在2月15日、2月16日两天里,中科院物理所、普林斯顿大学和麻省理工学院三个小组几乎同时向国际期刊提交了各自独立工作的研究论文。

最终三个独立发现的研究论文在发表时间上略有差异,但均获得了国际同行的认可。

“中国科学家的理论预测文章是最早对外公布和发表的,实验发现也是同时和独立的,虽文章发表时间略有延后,但并不妨碍它作为独立工作的重要性,这一点国际同行都是认可的”,方忠告诉《知识分子》。

这一点无疑在此次《物理世界》的评选中也得到了体现,三个国际小组均被提及“在外尔费米子上做出的先驱工作。Hasan和方忠领导的团队各自独立地在砷化钽中发现了表现出外尔费米子的准粒子的证据,Soljačić和他的同事们在另外一种材料——一个“双螺旋”结构的光子晶体中也发现了存在外尔玻色子的证据。

- 紧密无间的团队合作是成功秘诀 -

“外尔半金属具有磁场中电阻变小的反常疏运性质。光学外尔体系可用来做大体积单模激光器。如果这些效应和应用能够实现,将是开始于 80 多年前探求简单而美丽方程的令人意外的非凡结果。”加州大学伯克利分校的Ashivin Vishwanath在APS主办的Physics上如是评价外尔费米子的重要发现。

方忠对《知识分子》解释说,电子因为具有有效质量,因此表现出重要的特征,当它在材料传输过程中,发生碰撞就会产生能耗,由此会使得计算机的速度等性能受到限制。

而具有“手性”特征的外尔费米子半金属因为没有有效质量,能实现低能耗的电子传输,因此未来将可能解决当前电子器件小型化和多功能化所面临的能耗问题,在量子计算机、低能耗器件等方面有重要应用,同时外尔费米子具有拓扑稳定性,可以用来实现高容错的拓扑量子计算。

“然而,这可以理解为对未来美好应用前景的期待,从原理上来讲外尔费米子有这样的特征,将来怎么用,用到哪里,目前仍然离得很远。”方忠强调说,外尔费米子的发现仍然是一个基础研究的范畴。

谈到中国科学家团队取得这一重要发现的成功经验时,方忠特别提到了团队合作精神。

他告诉《知识分子》,“外尔费米子的研究工作包括理论计算,材料制备,物性观测三个方向团队之间的无间合作,这种紧密无间的合作并不仅仅是大家合作发表了一篇文章,而是日常见面聊天,不断促进,推动,启发。理论推动实验,实验推动理论。而且这种合作精神在今后的研究中会越来越重要。”

“我们的团队非常优秀”,方忠颇为自豪地介绍物理所的研究团队:有从事理论计算研究的翁红明2010年从日本留学回来,很年轻,也很优秀;有在拓扑电子态领域多年合作共事的戴希研究员,近年来在拓扑绝缘体、量子反常霍尔效应的研究方面做出了重要工作;有实验发现方面通过“千人计划”回国的优秀科学家丁洪和他组里的优秀年轻人钱天,主要从事光电子能谱的观测;另外一位陈根富研究员则在第一时间生长出高质量的样品,这是取得这项发现的前提,近年来他也做很多优秀的物性测量工作。

方忠表示,外尔费米子的发现其实只是一个开始,这个领域还有很多问题没有研究清楚,未来还有很多工作要做。

“中国物理学正处于近年来最好的发展时期”,方忠在访谈结束时表示,由于得到了国家的大力支持,得益于好的研究环境,经过这些年的积累,优秀人才的凝聚,中国的物理研究水平不断提高,整个物理学有了非常重要的进步,已经走在国际前沿,在很多领域可以与国际上平等竞争。

参考资料:

翁红明, 戴希,方忠. 拓扑半金属研究最新进展[J]. 物理, 2015, 44(04): 253-255.

翁红明 译. 外尔家园[J]. 物理, 2015, 44(11): 768-768.Ashvin Vishwanath. Where the Weyl things are. Physics, 2015, 44(11): 768-768.

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《知识分子》由饶毅、鲁白、谢宇三位学者创办并担任主编。

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