近日，浙大關(guān)聯(lián)物質(zhì)研究中心袁輝球教授帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)在重費(fèi)米子體系中發(fā)現(xiàn)外爾費(fèi)米子存在的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，將外爾半金屬的研究拓展到強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子體系中，為研究電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)與能帶拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的相互作用提供了新的平臺(tái)。

這項(xiàng)研究成果發(fā)表在11月5日上線的知名期刊《自然通訊》（Nature Communications）。物理學(xué)系博士研究生郭春煜為論文第一作者，袁輝球?yàn)檎撐耐ㄓ嵶髡撸瑘F(tuán)隊(duì)主要成員包括關(guān)聯(lián)物質(zhì)研究中心的劉洋研究員和Michael Smidman研究員以及杭州師范大學(xué)物理系的曹超教授。

“拓?fù)洹迸c外爾費(fèi)米子

我們可以用兩樣生活中常見的東西來(lái)解釋什么是拓?fù)洌禾鹛鹑涂Х缺?。咖啡杯的把手與杯身形成一個(gè)孔洞，甜甜圈也有個(gè)孔洞，只要這個(gè)孔洞沒(méi)有消失，同時(shí)也沒(méi)有產(chǎn)生新的孔洞，它們?cè)谕負(fù)涞膶用嫔鲜窍嗤摹Ｒ簿褪钦f(shuō)，物體的拓?fù)湫再|(zhì)精簡(jiǎn)了具體的幾何細(xì)節(jié)，只考慮幾何不變性的特征。拓?fù)鋵W(xué)最早指的是地質(zhì)學(xué)中的地形、地貌研究，而幾何拓?fù)鋵W(xué)則是形成于十九世紀(jì)的一門數(shù)學(xué)分支。近年來(lái)，拓?fù)鋵W(xué)這個(gè)概念被引入到凝聚態(tài)物質(zhì)中，用來(lái)研究固體材料的能帶結(jié)構(gòu)及相關(guān)電子性質(zhì)。

外爾費(fèi)米子是德國(guó)科學(xué)家威爾曼·外爾在1929年預(yù)言的，是一種零質(zhì)量的費(fèi)米子。此后近一個(gè)世紀(jì)的時(shí)間里，物理學(xué)界一直沒(méi)有放棄對(duì)它的探求。最近人們發(fā)現(xiàn)，一些凝聚態(tài)材料中的準(zhǔn)粒子激發(fā)與外爾費(fèi)米子相似，這為尋找外爾費(fèi)米子開拓了新的方向，具有重要物理意義。另外，由于受到拓?fù)浔Ｗo(hù)，具有相反手性的兩個(gè)外爾費(fèi)米子之間的散射很弱，這對(duì)解決當(dāng)前電子器件小型化和多功能化所面臨的能耗問(wèn)題具有重要應(yīng)用價(jià)值。

外爾費(fèi)米子變“重”了

在先前發(fā)現(xiàn)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(duì)簡(jiǎn)單?！半娮雨P(guān)聯(lián)效應(yīng)對(duì)拓?fù)淞孔討B(tài)有什么影響？外爾費(fèi)米子是否可以存在于一些強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子體系？這是物理學(xué)家們更關(guān)心的一個(gè)問(wèn)題?！痹x球這樣說(shuō)。

重費(fèi)米子材料是一類典型的具有強(qiáng)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(fèi)米子體系的電子有效質(zhì)量很“重”，可達(dá)自由電子質(zhì)量的1000倍以上。人們普遍認(rèn)為，這種有效質(zhì)量的增加是電子之間通過(guò)近藤效應(yīng)產(chǎn)生的。先前的研究表明，重費(fèi)米子體系具有豐富的宏觀量子現(xiàn)象，是研究非常規(guī)超導(dǎo)和絕對(duì)零度下的量子相變的理想材料體系。那么，在這樣一類關(guān)聯(lián)電子材料中，是否存在外爾費(fèi)米子等拓?fù)淞孔討B(tài)呢？

從字面意思來(lái)看，重費(fèi)米子和外爾費(fèi)米子的概念似乎是矛盾的。外爾費(fèi)米子在理論上來(lái)說(shuō)是沒(méi)有質(zhì)量的，而重費(fèi)米子的有效質(zhì)量卻很重。一個(gè)沒(méi)有質(zhì)量的粒子又怎么會(huì)“重”呢？實(shí)際上，外爾費(fèi)米子的“零質(zhì)量”是指一種獨(dú)特的能量色散關(guān)系：在外爾節(jié)點(diǎn)附近，外爾費(fèi)米子的能量與它的波矢成正比關(guān)系，其比例系數(shù)是個(gè)常數(shù)。若外爾節(jié)點(diǎn)位于費(fèi)米能級(jí)附近，該常數(shù)即為費(fèi)米速度。在重費(fèi)米子材料中，由于電子有效質(zhì)量大，它的運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)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(guān)系。

通過(guò)多種宏微觀性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量，并結(jié)合能帶計(jì)算，袁輝球團(tuán)隊(duì)首次在重費(fèi)米子材料YbPtBi中發(fā)現(xiàn)了外爾費(fèi)米子的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，觀察到了外爾電子態(tài)隨電子相互作用變化所呈現(xiàn)出來(lái)的一些新穎性質(zhì)。這些發(fā)現(xiàn)不同于先前研究的其它材料體系，為研究拓?fù)鋺B(tài)與電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)以及拓?fù)湎嘧兲峁┝艘粋€(gè)新的平臺(tái)。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(fèi)米子半金屬的一個(gè)范例”。

該項(xiàng)研究受到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金委以及科學(xué)挑戰(zhàn)專項(xiàng)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