物理所等在實驗中觀測到新型手性費米子

　　手性是指一個物體與其鏡像不能重合的現象，就像我們的左手和右手。在相對論物理中，手性是指無質量粒子的自旋和動量方向平行或者反平行。外爾費米子就是一種具有手性的粒子，描述它的哈密頓量 \(H(k)=\vec{\sigma }\cdot \vec{k }\) 其中 \(\vec{\sigma }\) 和 \(\vec{k }\)分別代表自旋和動量。在拓撲能帶理論中，當固體中包圍能帶簡并點的費米面具有非零的陳數，該簡并點具有手性，被看作動量空間中的磁單極，費米面上的低能準粒子激發是具有磁荷的手性費米子。例如，固體中外爾點的陳數C = ±1，外爾費米子就是磁荷為1的手性費米子。手性的簡并點在表面上的投影被螺旋結構的表面態環繞，其等能面就是費米弧，連接手性相反的簡并點在表面的投影。

　　在固體中已經實驗證實了三種類型的能帶簡并點，分別是二重簡并的外爾點、四重簡并的狄拉克點和三重簡并點。狄拉克點和三重簡并點都可以看成是一對手性相反的外爾點的疊加，手性相互抵消，所以狄拉克費米子和三重簡并費米子都沒有手性。但可以通過外加條件破缺對稱性，比如外加磁場，將它們退簡并成手性的外爾費米子。狄拉克半金屬和三重簡并點半金屬中表現出的許多物理性質，例如手性反常導致的負磁阻效應和表面態費米弧，本質上都是來源于手性的外爾費米子。

　　發現外爾費米子之外的新型手性費米子不僅是拓撲半金屬領域上的突破，也可以為探索手性費米子相關的物理現象提供更多的途徑，具有重要的科學意義和應用價值。近年來，理論上已經預言了多種類型的手性費米子以及相關的材料，但一直未能得到實驗證實。在眾多關于新型手性費米子的理論預言中，CoSi屬于能帶結構比較理想的材料，引起了國際上許多研究組的關注。不考慮自旋－軌道耦合的電子能帶或聲子譜計算顯示，在CoSi的體態布里淵區的中心Г和頂角R點分別存在三重和四重能帶簡并點（圖1b）。與之前實驗證實的碳化鎢結構材料MoP、WC中的三重簡并點和Na3Bi、Cd3As2中的四重簡并的狄拉克點不同的是，它們是陳數C = ±2的手性的簡并點，費米面上的低能準粒子激發是磁荷為2的手性費米子，分別被命名為spin-1和charge-2費米子（圖1c）。

　　通過角分辨光電子能譜測量材料的體態和表面態電子結構，可以提供這些手性費米子的直接證據，但實驗測量需要原子級平整的樣品表面。CoSi是典型的三維材料，通常的解理方法難以得到原子級平整的表面。中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心與中國人民大學物理系合作，利用拋光－轟擊－退火的方法，經過長時間的不斷摸索，終于在CoSi單晶樣品上得到原子級平整的表面，并在上海光源“夢之線”觀測到清晰的體態和表面態能帶。實驗結果顯示在體布里淵區的中心Г和頂角R點存在體態能帶簡并點，與理論計算結果高度吻合（圖1d-f）。它們在（001）表面的投影被跨越整個布里淵區的超長表面態費米弧連接（圖2a,b），在環繞單個簡并點投影的閉合路徑上存在兩條手性的表面態能帶，并且這兩條閉合路徑之間表面態能帶的手性相反（圖2c,d），標志著這兩個能帶簡并點攜帶非零的陳數C = ±2，這是CoSi中存在新型手性費米子的確定證據。該實驗結果不僅證明了新型手性費米子的存在，而且提供了一個較為理想的平臺去探索由手性費米子引起的新奇物理現象。