外尔费米子 发现外尔费米子有什么用?
在本次理解未来讲座上,中科院著名凝聚态理论物理学家于渌,麻省理工学院终身教授文小刚、中国科学院高能物理研究所研究员张双南等物理学界的大师们都对丁洪的突破给予了极高的评价。
中青在线北京12月11日电(中国青年报·中青在线记者邱晨辉)今天,英国物理学会主办的《物理世界》(PhysicsWorld)公布“2015年十大突破”,中科院物理所研究团队的“外尔费米子研究”入选其中。外尔费米子(Weylfermions)是一种无质量且具有“手性”的电子,未来将可能在量子计算机、低能耗器件等方面有重要应用。
而在中科院物理所的陈根富小组首先制备出了外尔费米子可藏身TaAs晶体之后,丁洪小组利用上海光源“梦之线”的同步辐射光束精细测量TaAs晶体,围绕在外尔费米子身上长达86年的神秘面纱终被揭下,基本粒子和准粒子内在统一现代物理学的迷宫纸窗被打开了一个洞。
“中科院物理所之间有非常好的密切协作,还有掌握一流最先进实验方法的团队,物资上的准备也是最好的,因为精密测量水平高和仪器好,所以中国做出的图的质量是一流的。这件事情本身就是一个好的势头,国家的支持、各方的努力和群体形成的力量有一个变化”,于渌表示。
今年,中科院物理所的陈根富小组首先制备出了具有原子级平整表面的大块TaAs晶体,随后该所丁洪小组利用上海光源“梦之线”的同步辐射光束照射TaAs晶体,使得外尔费米子第一次展现在科学家面前。
科学家把基本粒子分为玻色子和费米子两大类,费米子是组成物质的基本粒子。外尔费米子是德国科学家威尔曼·外尔在1929年预言的。他提出,无“质量”(即线性色散)电子可以分为左旋和右旋两种不同“手性”,这种无质量的电子被命名为“外尔费米子”。不过,科学家们始终无法在实验中观测到这种粒子。
(原标题:“外尔费米子研究”入选《物理世界》2015十大突破)
12月11日,英国物理学会主办的《物理世界》(PhysicsWorld)公布“2015年十大突破”,中科院物理所研究团队的“外尔费米子研究”入选其中。
“外尔是物理学家和哲学家。他是大数学家希尔伯特的学生,并是希尔伯特教授职位的继任者。诺贝尔奖获得者Wilczek曾经这样评价他:大多数现代科学家只专注在一个或几个窄的领域,外尔不同,他俯视整个世界。”中科院物理所研究员丁洪的娓娓描述揭开了讲座主题。
围绕在外尔费米子身上长达86年的神秘面纱终被揭下,从突破性发现到实用性材料投入应用,却仍有漫长的路程要走。尚待解答的许多问题,吸引着科学家们继续投入相关领域的研究。
我们要找的是基本粒子——外尔费米子,现在说的是准粒子。准粒子和基本粒子有什么区别呢?有一个猜想:也许我们所谓的基本粒子(质子、电子、光子等)就是宇宙“真空”相互作用产生的“准粒子”,它们也体现我们这个宇宙的集体性质。
如果有多个宇宙,另外的宇宙会有不同的质子、电子和光子,或者有不同的光速!在这个层次上,也许凝聚态物理和高能物理可以“统一”。正如凝聚态物理学家安德森在1962年首先意识到超导体中的一种有能隙的元激发可以用来解释宇宙中基本粒子的质量起源,希格斯在这基础上于1964年提出具有相对论的理论,并预言希格斯玻色子的存在。现在这种思想被越来越多的物理学家所接受。
蝌蚪君:“外尔费米子的材料已经找到了,这个材料在工作的时候是不需要低温的吧。”
2012年和2013年,中科院物理所的理论研究团队首次预言在狄拉克半金属中可实现无“质量”的电子。2014年,该团队首次预言在TaAs等材料体系中可实现两种“手性”电子的分离。这一结果立刻引起了实验物理学家的“科研竞跑”,此后中国科学院、普林斯顿大学等科研机构为发现外尔费米子展开了激烈的竞争。
根据此前的理论研究,外尔费米子可能在“外尔半金属”中被观察到,科学家一直致力于寻找外尔半金属。
2011年,加州大学伯克利分校的理论凝聚态物质物理学家阿舍汶·维什瓦纳特研究团队在《物理评论B》杂志撰文指出,拥有某些属性的晶体在合适的环境下可能会产生外尔费米子。这种材料需具备某种不对称性,也必须是半金属。
其中,物理所陈根富小组首先制备出了高质量TaAs晶体,丁洪小组副研究员钱天与博士生吕佰晴利用上海光源“梦之线”ARPES实验站立即对TaAs(001)表面电子态进行了高精度测量。通过与翁红明、戴希、方忠紧密合作,结合第一性原理计算结果,证实了表面费米弧的存在,并且确定了费米弧与外尔点在(001)表面投影的连接方式,提供了TaAs材料外尔电子态的直接实验证据【B.
Q.Lv,H.Wengetal.,Phys.
Rev.X5,031013(2015)】。随后,丁洪小组及其瑞士保罗谢勒研究所的合作者进一步测量了TaAs体电子态,直接观测到外尔点及其附近的三维狄拉克锥,提供了进一步的实验证据【B.Q.Lv,N.
Xu,H.Wengetal.,Nat.Phys.(DOI:10.1038/NPHYS3426)(2015)】。与此同时,陈根富小组的博士生黄筱淳和赵凌霄通过精确的电输运测量,首次在TaAs单晶中观测到了由手性反常导致的负磁阻效应,进一步从输运的角度证明了外尔费米子的存在【X.
C.Huang,L.X.Zhaoetal.,Phys.Rev.X5,031023(2015)】。在该实验过程中,研究员吕力给予了极大帮助。以上一系列工作是自1929年外尔费米子被提出以来,首次在凝聚态物质中证实存在外尔费米子态,具有非常重要的科学意义。
一直以来,科学家把基本粒子分为玻色子和费米子两大类,费米子是组成物质的基本粒子。德国科学家威尔曼·外尔在1929年预言了外尔费米子的存在,无“质量”电子可以分为左旋和右旋两种不同“手性”,这种电子被命名为“外尔费米子”。但80多年来科学家们始终无法在实验中观测到这种粒子。
中科院物理所的陈根富小组首先制备出了具有原子级平整表面的大块TaAs晶体,而外尔费米子就藏身于这种晶体中。随后物理所丁洪小组利用上海光源“梦之线”的同步辐射光束照射TaAs晶体,使得外尔费米子80多年后第一次展现在科学家面前。
由此,由普林斯顿大学物理学家扎伊德·哈桑领导的团队查阅了约100万种晶体的信息,最终将目光锁定在由钽和砷组成的晶体上。他们用一束光子向一块钽砷(TaAs)晶体发起了轰击。此举让晶体内的电子拥有了额外的能量,电子因此离开原位开始移动。科学家们对移动的电子进行了详细研究,结果发现,“这些电子准粒子的举止非常怪异,与外尔费米子如出一辙”。
