方忠外尔费米子寻找“外尔费米子”:中外物理学家的竞赛

2017-05-05

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文章简介：外尔费米子,是当今凝聚态物理最前沿的研究对象之一.7月18日,一则消息引起中科院物理所研究员戴希的注意.消息称,普林斯顿大学物理学家扎伊德·哈桑领导的团队首次通过实验,在外尔半金属中造出了外尔费米子.事实上,在戴希看来,是以中科院物理所为主的中国科学家首次通过理论计算发现这种半金属,也是中国科学家首次通过角分辨光电子能谱发现了外尔费米子的存在.戴希在这条消息下的评论中,认为这场风波属于"科学界的竞争",是寻找"外尔费米子"的科学竞赛.实验:激烈的国际竞争在物理学界,

外尔费米子,是当今凝聚态物理最前沿的研究对象之一。

7月18日,一则消息引起中科院物理所研究员戴希的注意。消息称,普林斯顿大学物理学家扎伊德·哈桑领导的团队首次通过实验,在外尔半金属中造出了外尔费米子。

事实上,在戴希看来,是以中科院物理所为主的中国科学家首次通过理论计算发现这种半金属,也是中国科学家首次通过角分辨光电子能谱发现了外尔费米子的存在。

戴希在这条消息下的评论中,认为这场风波属于"科学界的竞争",是寻找"外尔费米子"的科学竞赛。

实验:激烈的国际竞争

在物理学界,一个通过理论推导和公式推算出的结论必须通过实验验证才能被承认。中科院物理所副研究员翁红明告诉《中国科学报》记者:"没有实验证实,便不能称之为‘发现’。"

提到"外尔费米子"理论,则要追溯到1928年,狄拉克提出描述相对论电子态的狄拉克方程。1929年,德国科学家外尔(H. Weyl)指出,狄拉克方程质量为零的解描述的是一对重叠在一起的具有相反手性的新粒子,这就是"外尔费米子"。

但是,80多年以来,科学家一直没有在实验中"发现"外尔费米子。直到2015年1月初,中科院物理所方忠研究员带领的研究组与普林斯顿大学Bernevig小组合作,理论预言了在以TaAs为代表的一批材料中存在着外尔费米子,中科院物理所陈根富小组制备出了具有原子级平整表面的大块砷化钽(TaAs)晶体,中科院物理所丁洪小组利用他们不久前在上海光源建成的"梦之线"角分辨光电子能谱实验站上对TaAs晶体进行测量,首次观测到外尔费米子的特征性现象——表面费米弧。

该实验小组成员钱天告诉《中国科学报》记者:"通过‘梦之线’探测从材料中激发出来的电子的能量和动量,就能反推出晶体材料的电子结构。"只要观测到费米弧,就能断定外尔费米子的存在,即从实验上"发现"了这种奇特的粒子。

2月16日,这个实验小组在物理学界知名的学术交流网站arXiv上,公开了费米弧的发现,宣布外尔费米子被发现,中国科学家领衔的团队被认为揭开了80多年来的世界之谜。

"arXiv网站是物理学界影响力非常大的学术交流网站,其张贴文章的高质量使这家网站在谷歌学术评价上的影响因子甚至超过了许多传统学术期刊。"翁红明说。

几乎同时,美国麻省理工学院以及普林斯顿大学教授哈桑的两个实验小组也在arXiv网站上公开了类似的研究成果。

2月17日,丁洪研究小组把这项学术成果提交给了《科学》杂志。然而,7月16日,《科学》杂志在线刊登了哈桑小组和麻省理工学院的研究成果,而中国科学家的论文被意外拒稿。哈桑在电子邮件中回复《中国科学报》记者:"我们将实验成果向《科学》杂志投稿,审稿中没有收到修改意见。"

值得庆幸的是,目前该论文在未作修改的情况下被在物理学界极具影响力的《物理评论X》接受发表。随后,丁洪研究小组又在瑞士光源观测到TaAs中的外尔点及其附近的四维外尔锥,这是外尔半金属的另一个根本特性,该研究成果也即将在国际知名刊物上发表。

理论:中国人的原创

在理论上,中国科学家的原创工作更毋庸置疑。正是中国科学家在拓扑半金属领域中开创性的理论工作,为外尔费米子的产生和观测提供了新的思路和途径。

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,南京大学物理学院教授万贤纲与几名国际研究者合作,通过理论计算预言一种复杂磁结构的铱氧化物可能是外尔半金属。同年,中科院物理所方忠、戴希团队也预言铁磁尖晶石HgCr2Se4也可能是外尔半金属。但是由于磁性材料的复杂性,这两个理论预言的实验验证都变得非常困难。

为此,长期从事理论计算的中科院物理研究所方忠研究组一直想寻找一种非磁外尔半金属。2012年、2013年两年里,他们及合作者先后从理论上预言钠三铋晶体(Na3Bi)和三砷化二镉晶体(Cd3As2)是狄拉克半金属,里面存在三维无质量狄拉克电子,由一对重叠在一起的具有相反手性的"外尔费米子"构成。

2014年,他们跟实验组合作,先后发表一篇《科学》和《自然—材料》论文,证实了理论预言,被称为首次发现"三维版本的石墨烯"。这为实现相互分离的手性外尔费米子迈出了关键性的一步,而且使拓扑半金属领域的实验研究成为可能,极大推动了拓扑半金属领域的进展。

该理论团队成员翁红明从发表于1965年的一篇实验文献中受到启发,并通过第一性原理计算,初步认定砷化钽(TaAs)晶体等同结构家族材料可能是外尔半金属。这类材料能够合成,并且没有磁性,打破了中心对称,是实验制备、检测都非常便捷的绝佳材料。

经过跟戴希、方忠等合作者进行了数月的周密计算和数学证明后,他们更加确认这一结论。2014年12月31日,他们将此理论预言在arXiv网站率先向全世界公开。该成果立即受到同行的关注,包括中科院物理所、北京大学、普林斯顿大学等在内的国际上众多实验小组都投入到了竞赛般的实验验证工作中。这项理论成果于今年3月17日在《物理评论X》杂志正式发表。

1月5日,中科院物理所的研究团队收到了来自哈桑小组的一封信。信中告知,他们也有类似的工作,并也将当时尚未发表的论文张贴在arXiv网站上。

哈桑给《中国科学报》记者的回信中,强调了这篇论文的重要性,并称"这篇论文于2014年11月提交给《自然—通讯》杂志,比中国科学家的结果早很多"。

记者调查后发现,这篇论文在2015年4月30日才被期刊正式接收,最终在2015年6月12日刊发。这已经是在中科院物理所团队的工作发表近3个月之后。翁红明表示:"哈桑小组在这篇文章中使用了我参与开发的计算软件包,并引用了以我为第一作者于2009年发表的一篇文章。"