中外物理学家的科学竞赛

费米子是凝聚态物理中最先进的研究对象之一。

7月18日，一则新闻引起了中国科学院物理研究所研究员戴的注意。有消息称，普林斯顿大学物理学家扎伊德·哈桑领导的团队首次在外层半金属中制造了外层费米子。

事实上，根据戴西的说法，这是中国科学家，主要是中国科学院物理研究所的科学家，通过理论计算首次发现这种半金属。这也是中国科学家首次通过角分辨光电子能谱发现费米子的存在。

在他对新闻的评论中，黛西认为这场风暴是一场“科学竞赛”，是一场寻找“瓦费米子”的科学竞赛。

实验:激烈的国际竞争

在物理领域，通过理论推导和公式推导出的结论必须经过实验验证才能被识别。中国科学院物理研究所的副研究员翁宏明告诉《中国科学新闻》:“没有实验的证实，它不能被称为‘发现’。”

提到“瓦伊尔费米子”理论可以追溯到1928年，当时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H. Weyl指出，零质量狄拉克方程的解描述了一对具有相反手性的重叠新粒子，称为“外费米子”。

然而，80多年来，科学家们没有在实验中“发现”费米子。直到2015年1月初，根据中国科学院物理研究所研究员钟芳领导的研究团队的理论预测和材料计算结果，中国科学院物理研究所陈根福的团队制备了原子级平面的大块砷化钽晶体。中国科学院物理研究所的丁洪团队不久前在上海光源建立的“梦想线”角分辨光电子能谱实验台上测量了TaAs晶体，并首次观测到表面费米子弧，这是外费米子的一种特有现象。

实验小组成员前田告诉《中国科学报》:“通过探测物质通过‘梦想线’激发的电子的能量和动量，晶体物质的电子结构可以反转。”只要观察到费米弧，就可以确定外费米子的存在，也就是说，这个奇怪的粒子是通过实验“发现”的。

2月16日，实验小组在著名的物理领域学术交流网站arXiv上宣布发现费米电弧。它宣布了外费米子的发现。由中国科学家领导的团队被认为已经揭开了世界的神秘面纱80多年了。

“arXiv网站是物理领域非常有影响力的学术交流网站。arxiv网站上发表的高质量文章甚至超过了许多传统学术期刊，影响了谷歌的学术评价。”翁宏明说。

几乎与此同时，麻省理工学院和普林斯顿大学教授哈桑的两个实验小组也在arXiv网站上公布了类似的研究结果。

2月17日，丁洪研究小组向《科学》杂志提交了这一学术成果。然而，7月16日，《科学》杂志在网上公布了哈桑团队和麻省理工学院的研究结果，而中国科学家的论文却意外遭到拒绝。哈桑在给《中国科学报》记者的一封电子邮件中回复道:“我们把实验结果提交给了《科学》杂志，在审查过程中我们没有收到任何评论。”

幸运的是，目前该论文已被物理学领域颇具影响力的《物理学评论X》接受并发表，未作任何修改。随后，丁洪研究小组观察到了TaAs的外点和瑞士光源附近的四维外锥，这是外半金属的另一个基本特征。研究结果也将在国际知名出版物上发表。

理论:中国的原创

理论上，中国科学家的原创工作是毫无疑问的。这是中国科学家在拓扑半金属领域的开创性理论工作，为费米子的产生和观测提供了新的思路和方法。

根据以前的理论研究，外费米子可能在“外半金属”中被观察到，科学家们一直在努力寻找外半金属。

2011年，南京大学物理学院的万先刚教授与几位国际研究人员合作，通过理论计算预测出一种具有复杂磁性结构的氧化铱可能是一种外层半金属。同年，中国科学院物理研究所的和戴也预测铁磁性尖晶石型碲镉汞可能也是一种外层半金属。然而，由于磁性材料的复杂性，这两个理论预测的实验验证变得非常困难。

出于这个原因，钟芳的研究小组，长期从事理论计算，一直在寻找一种非磁性的外层金属。在2012年和2013年，他们和他们的合作者从理论上预测Na3Bi晶体和Cd3As2晶体是狄拉克半金属，其中有三维无质量狄拉克电子，由一对具有相反手性的重叠“外费米子”组成。

2014年，他们与实验组合作，先后发表了一篇题为《科学》的论文和一篇题为《自然-材料》的论文，证实了理论预测，被称为“石墨烯的三维版本”的首次发现。这是实现相互分离的手性外费米子的关键一步，使得在拓扑半金属领域进行实验研究成为可能，极大地促进了拓扑半金属领域的进展。

理论团队的成员翁宏明受到了1965年发表的一份实验文件的启发。根据第一性原理计算，初步确定了具有等效晶体结构的砷化钽(TaAs)族材料可能是一种外半金属。这种材料可以合成，没有磁性，打破了中心对称性，是一种非常方便和优良的实验制备和检测材料。

经过与黛西和钟芳等合作者数月的仔细计算和数学证明，他们更加证实了这个结论。2014年12月31日，他们在arXiv网站上首次向世界公开了这一理论预测。这一结果立即引起了同行的关注，中国科学院物理研究所、北京大学、普林斯顿大学等许多国际实验团体都投入到了竞争性实验验证工作中。理论结果于今年3月17日正式发表在《物理评论》杂志上。

1月5日，中国科学院物理研究所的研究团队收到了哈桑团队的来信。信中说他们有类似的工作，并把未发表的论文发布在arXiv网站上。

哈桑在给《中国科学报》记者的回信中强调了该论文的重要性，称“该论文于2014年11月提交给《自然通讯》杂志，比中国科学家的研究结果要早得多”。

经过调查，记者发现该论文于2015年4月30日被《华尔街日报》正式接受，最终于2015年6月12日发表。这是在中国科学院物理研究所团队的工作发表近三个月后。翁宏明说:“哈桑的团队使用了我在本文中参与开发的计算软件包，并引用了我作为第一作者在2009年发表的一篇文章。”

根据该领域一位不愿透露姓名的研究人员的说法，哈桑的理论预测文章更像是“凭空而来”，而且“这只是一个预测，甚至没有给出严格的数学证明。”这位研究员说，按照这两项研究在arXiv网站上发表的顺序，人们不禁要问哈桑的团队是否完全独立。

思考:如何赢得大局

在国际同行眼中，中国科学家的这一发现是从物质理论预测到实验观察独立完成的。

早在今年2月底，当这三个小组宣布发现外层费米子时，加州大学伯克利分校的阿希文·维斯瓦纳特教授就在《条件物质物理俱乐部》杂志上发表了题为“外层半金属的实验观察”的三个独立实验的评论。

今年7月16日，英国皇家化学协会的化学世界报道了三项独立的发现，包括中国科学家作为第三方科学媒体的工作。

中国科学家在抓住基础科学领域的第一次机遇方面也获得了新的经验。前田指出，首先，我们应该加快建设自己的科学仪器。“中国的科学仪器起步较晚，十多年前仍处于购买商业设备进行测量的水平。”他说。

2014年8月，中国科学院启动了“第一行动”计划。具体改革措施之一是对包括大科学中心在内的研究所进行分类改革。在这一改革的大框架下，去年10月底建成的上海光源“梦想线”在发现费米子的实验中做出了巨大贡献。目前，“梦想线”的技术指标已跻身世界先进行列。

此外，一些学者指出，我们应该办好自己的优秀学术期刊。如果我国在相关领域也有有影响力的高水平学术期刊，中国科学家的学术成果的发表将不再受到他人的限制，尽管科学成果的重要性并不取决于最终发表的期刊。