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当“外尔”遇上了重费米子

发布时间:2018-11-07来源:浙大新闻办 作者:史又月 卢绍庆浏览次数:924

近日,浙大关联物质研究中心袁辉球教授带领的研究团队在重费米子体系中发现外尔费米子存在的实验证据,将外尔半金属的研究拓展到强关联电子体系中,为研究电子关联效应与能带拓扑结构的相互作用提供了新的平台。

这项研究成果发表在11月5日上线的知名期刊《自然通讯》(Nature Communications)。物理学系博士研究生郭春煜为论文第一作者,袁辉球为论文通讯作者,团队主要成员包括关联物质研究中心的刘洋研究员和Michael Smidman研究员以及杭州师范大学物理系的曹超教授。



“拓扑”与外尔费米子

我们可以用两样生活中常见的东西来解释什么是拓扑:甜甜圈和咖啡杯。咖啡杯的把手与杯身形成一个孔洞,甜甜圈也有个孔洞,只要这个孔洞没有消失,同时也没有产生新的孔洞,它们在拓扑的层面上是相同的。也就是说,物体的拓扑性质精简了具体的几何细节,只考虑几何不变性的特征。拓扑学最早指的是地质学中的地形、地貌研究,而几何拓扑学则是形成于十九世纪的一门数学分支。近年来,拓扑学这个概念被引入到凝聚态物质中,用来研究固体材料的能带结构及相关电子性质。

外尔费米子是德国科学家威尔曼·外尔在1929年预言的,是一种零质量的费米子。此后近一个世纪的时间里,物理学界一直没有放弃对它的探求。最近人们发现,一些凝聚态材料中的准粒子激发与外尔费米子相似,这为寻找外尔费米子开拓了新的方向,具有重要物理意义。另外,由于受到拓扑保护,具有相反手性的两个外尔费米子之间的散射很弱,这对解决当前电子器件小型化和多功能化所面临的能耗问题具有重要应用价值。

外尔费米子变“重”了

在先前发现的大部分外尔半金属材料中,电子之间的相互作用都比较弱,其物理图像相对简单。“电子关联效应对拓扑量子态有什么影响?外尔费米子是否可以存在于一些强关联电子体系?这是物理学家们更关心的一个问题。”袁辉球这样说。

重费米子材料是一类典型的具有强电子相互作用的材料体系,主要存在于镧系和锕系化合物中。顾名思义,重费米子体系的电子有效质量很“重”,可达自由电子质量的1000倍以上。人们普遍认为,这种有效质量的增加是电子之间通过近藤效应产生的。先前的研究表明,重费米子体系具有丰富的宏观量子现象,是研究非常规超导和绝对零度下的量子相变的理想材料体系。那么,在这样一类关联电子材料中,是否存在外尔费米子等拓扑量子态呢?

从字面意思来看,重费米子和外尔费米子的概念似乎是矛盾的。外尔费米子在理论上来说是没有质量的,而重费米子的有效质量却很重。一个没有质量的粒子又怎么会“重”呢?实际上,外尔费米子的“零质量”是指一种独特的能量色散关系:在外尔节点附近,外尔费米子的能量与它的波矢成正比关系,其比例系数是个常数。若外尔节点位于费米能级附近,该常数即为费米速度。在重费米子材料中,由于电子有效质量大,它的运动速度远低于普通材料中的电子,但其能量同样可以遵循线性色散关系。



通过多种宏微观性质的实验测量,并结合能带计算,袁辉球团队首次在重费米子材料YbPtBi中发现了外尔费米子的实验证据,观察到了外尔电子态随电子相互作用变化所呈现出来的一些新颖性质。这些发现不同于先前研究的其它材料体系,为研究拓扑态与电子关联效应以及拓扑相变提供了一个新的平台。论文审稿人指出,“该工作将成为研究具有近藤相互作用的外尔费米子半金属的一个范例”。

该项研究受到国家重点研发项目、国家自然科学基金委以及科学挑战专项的资助。

(文 史又月/摄影 卢绍庆)


论文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-018-06782-1