科学家发现第二类Weyl费米子

左图:标准I型维勒的费米子能态

右图:新发现的维勒ⅱ型费米子

中国科学院物理研究所/北京内聚国家实验室(即将成立)、普林斯顿大学和苏黎世瑞士联邦理工学院的一个国际研究小组最近预测，在一种特殊类别的金属材料中存在一种新型“粒子”。当施加的磁场在某些特定方向时，这种材料表现出绝缘体行为，而当磁场在其他方向时，它表现出导体行为。这一独特的物理特性具有潜在的应用价值，即有助于开发高效率、低能耗的新芯片。研究人员预测在碲化钨中存在这样的“粒子”。各种固体材料都像“物质宇宙”，其中包含许多具有不同特性的“粒子”。其中一些可以在宇宙中找到与它们相对应的真正的基本粒子，而其余的只能存在于某些特殊类型的晶体中。这项研究的相关工作发表在最新一期的《自然》杂志上。

研究人员称这种新型“粒子”为第二种外费米子，它是标准量子场论中外费米子的“表亲”。然而，新的“粒子”在电磁场中表现出非常不同的特性。中国科学院物理研究所的戴西研究员、普林斯顿大学物理系的安德烈·贝纳维格副教授、苏黎世联邦理工学院的阿列克谢·索罗雅诺夫博士和马蒂亚斯·罗尔教授领导了这项研究。该研究小组还包括普林斯顿大学的王志军博士、苏黎士联邦理工学院的吴全胜博士和张秀坤·格雷施博士。

研究人员说，85年前，在量子理论发展之初，这种粒子的可能性被物理学家赫尔曼·韦尔拒绝了。因为它的存在违反了宇宙中的基本规则——洛伦兹对称性。然而，与真空不同的是，晶体环境破坏了空间的均匀性，并且没有洛伦兹对称性，因此这种新粒子的存在是可能的。相对论量子场论描述了宇宙中的粒子，它将量子力学和爱因斯坦的相对论结合在一起。根据这一理论，固体由原子组成，原子中含有质子和电子，它们在固体周围运动。因为固体中的电子数量非常大，并且它们之间存在相互作用，所以用量子力学理论来精确描述固体中每个电子的运动是不可能的。相反，科学家们使用一种被称为“准粒子”的简化观点来更有效地描述电子在固体材料中的运动，也就是说，将无数相互耦合的真实电子的运动简化为没有相互作用的“准粒子”，在由离子和其他电子形成的等效场中运动。这些准粒子，也称为布洛赫电子，是费米子。

正如电子是真空宇宙中的基本粒子一样，布洛赫电子也被认为是固体材料中的“基本粒子”。换句话说，在固体物理学家看来，晶体材料本身就是一个“宇宙”，有自己的“基本粒子”。近年来，研究人员发现，这样一个“物质宇宙”可以产生相对论量子场论预测的大部分粒子。这些准粒子中的三个，狄拉克，马略纳和费米子，已经在一些材料中发现。尽管后两种粒子很难在实验中捕获，但它们为在低成本和小规模凝聚态系统中验证量子场论开辟了一条新的途径。由于这些晶体可以在实验室中生长，因此可以通过实验在碲镉汞或其他候选材料(如碲化钼微粒2)中找到它们。这些实验材料，如WTe2，是由普林斯顿大学的研究人员培育的，并发表在去年的《自然》杂志《[1》上。

“也许一个人的想象力可以更进一步，在凝聚态物质中找到相对论量子场论未知的粒子，”波纳维克说。当然，我们有理由相信这些研究者能够做到。宇宙是由量子场论描述的。在建立这种描述系统的过程中，使用了某些规范或对称性，例如众所周知的洛伦兹对称性，高能粒子必须遵循这种对称性。然而，洛伦兹对称性不适用于凝聚态物质，因为与光速相比，固体中的准粒子运动速度非常小，这使得凝聚态物质理论本质上是一种低能有效理论。“每个人都想知道，”梭利亚诺夫说，“有没有可能在‘物质宇宙’中产生不符合洛伦兹对称性的非相对论‘基本粒子’”

国际合作小组对这个问题给予了肯定的回答。这项工作始于2014年11月首诺扬诺夫和黛西访问普林斯顿大学的波纳维克。在一次讨论中，每个人都注意到了磁场中WTe2的异常行为。普林斯顿大学的实验小组在一些材料实验中观察到了这些行为(自然，2014)，但是还需要更多的努力来证实它是由新的“粒子”引起的。在随后的研究中，他们很快发现，尽管相对论只允许一种外费米子存在，但在凝聚态物质中，有可能存在另一种物理上不同的外费米子。第一类标准维勒费米子在零能量时只有两种可能的状态，类似于真空中电子的两种不同自旋状态。这样一个系统在零能量时的态密度为零，所以它没有很多有趣的热力学效应。这种外费米子存在于相对论场论中，是洛伦兹不变性唯一允许的。然而，新预测的维勒费米子II系统在零能量下有一个有限的态密度，即一个有限大小的费米表面。第二类外点出现在电子型和空穴型费米表面的接触点。这给了第二类韦伊尔费米子系统一个新的特征，即有限态密度，并打破了洛伦兹对称性。

这一发现开辟了许多新的研究方向。大多数正常金属在磁场中显示出电阻率的增加，这是一种非常普遍的现象。普林斯顿大学和中国科学院物理研究所最近的理论和实验研究证实，对于标准的第一类外半金属，当电场和磁场施加在同一方向时，电阻率降低，即纵向负磁阻。然而，这项新的工作表明，磁阻行为与第二类外费米子材料的晶体方向有关。当磁场和电流沿着某些特定的晶体方向时，电阻率将随着正常金属而增加，而电阻率将随着其它方向上的外部半金属而降低。这些复杂的输运特性具有潜在的应用前景。

"更有趣的问题是，在其他凝聚态物质系统中能找到更多的‘基本粒子’吗？"波纳维克说。“无限‘物质宇宙’中还隐藏着什么其他‘粒子’？这方面的研究可能才刚刚开始。”

普林斯顿大学的研究人员由国防部、美国海军研究办公室、美国国家科学基金会、戴维和露西尔·帕卡德基金会和沃克基金会资助。苏黎世联邦理工学院的研究人员由微软研究院、瑞士国家科学基金会和欧洲研究理事会资助。戴希泽获得了国家自然科学基金、科技部973计划和中国科学院的资助。谢谢大家。(原标题:科学家发现第二类维勒费米子)