科學家首次在實驗中發現一維外爾費米子

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外爾費米子是一種在高能物理理論中被預言存在的粒子。它被理論預言可以存在于所有奇數維度（一維、三維）體系中，但目前人們對固體中外爾費米子的研究均在三維體系中開展，即三維外爾費米子。理論預言的最低維度（一維外爾費米子）仍未在實驗中發現。

近日，華東師范大學研究員袁翔課題組和合作者一起，在低維準粒子激發研究中取得重要進展。聯合團隊通過強磁場在三維拓撲絕緣體五碲化鉿（HfTe5）中，發現了一維外爾費米子，并探索了其特殊的電磁響應。9月29日，相關成果在線發表于《自然—材料》。

“該研究首次在三維體系中，通過極強的磁場找到一維外爾費米子。”袁翔告訴《中國科學報》，“外爾費米子對光和電有著特殊的響應，這在現有的三維外爾費米子體系中已得到驗證。我們通過強磁場紅外光譜技術和脈沖強磁場電學測量技術，觀察到了上述響應的一維‘版本’。”

理論上，外爾費米子可以存在于所有奇數維度體系中。科學家已經在三維體系中找到外爾費米子，并對其開放費米弧、三維外爾軌道、手征異常等獨特性質開展了廣泛研究。但一維外爾費米子作為外爾方程描述的最低維、簡潔的形態，其相關研究仍然空缺。

袁翔介紹說，維度是物理學研究中一個重要概念，通過降低研究體系的維度（如制備一維納米線材料）實現一維外爾費米子，在實驗上存在極大難度，無論是光學、電學手段，都很難對一個尺度過小的系統開展研究。但通過磁場約束三維體系中電子的行為，等效降低維度，為在實驗上探測一維外爾費米子性質提供了一種可能。

“此類研究對研究體系有著極高的限制，需要符合多種物理性質才能最終在低溫強磁場下實現‘一維外爾費米子’的激發。”該論文共同第一作者、華東師范大學博士生吳聞彬說，“開展這項研究前，我們對許多三維體系進行了相關的電學、光學測試，最終發現能在HfTe5中實現對一維外爾費米子奇異物理性質的探索。”

相關實驗需要在強磁場（約是地球磁場的70萬倍），極低溫（零下270攝氏度）等極端條件下開展。為此，研究團隊在實驗室內搭建多套低溫強磁場系統，并與相應的光學、電學測試系統耦合進行聯合測試。

袁翔團隊長期致力于發展穩態強磁場紅外光譜和電輸運測試技術，并與復旦大學研究員張成課題組、中山大學教授嚴忠波課題組、南方科技大學教授盧海舟課題組和中科院上海技術物理研究所褚君浩院士團隊合作，利用國內外強磁場中心（如華中科技大學國家脈沖強磁場中心、美國國家強磁場實驗室等）的科學裝置，最終在實驗上實現了對一維外爾費米子的發現與探索。

研究人員利用強磁場紅外光譜技術，發現三維拓撲絕緣體HfTe5在強磁場下發生了三次拓撲相變，由于拓撲絕緣體獨特的能帶反轉和零級朗道能級自旋極化特征，其零級朗道能帶在強磁場下發生交叉，同時引起拓撲相變，從而形成“一維外爾模”，其色散和自旋織體類似于三維外爾半金屬。

一維外爾模的發現，為探索低維外爾費米子的物性提供了平臺。該研究在給出一維外爾模紅外光譜學證據的同時，還探究了一維外爾費米子獨特的電磁響應。研究人員不僅在強磁場遠紅外光譜上觀察到一維線性能帶的發散光學吸收，還在脈沖強磁場輸運測試中觀察到一維外爾費米子手征異常導致的負磁阻現象。由朗道能帶所實現的外爾費米子與來源于傳統布洛赫能帶的相比，具有嚴格一維、準粒子參數高度可調、超高態密度等優點。這些特征證實了外爾費米子的一維特征和特殊的電磁響應。

“該研究提供了一種在三維體系中，通過磁場約束等效降低維度，實現低維物理研究的方法。”袁翔說，“一方面找到了最低維外爾費米子，另一方面對一維外爾費米子的光學和電學性質開展了研究，對一維外爾費米子的性質有了一定的認識。”