科学家发现第二种类型的外尔费米子

左：标准 I 型韦尔的费米子能态

右：新发现的 II 型外尔费米子

由中国科学院物理研究所/北京凝聚态国家实验室（筹）、普林斯顿大学和瑞士苏黎世联邦理工学院的研究人员组成的国际团队最近预测了一种新型“新类型”在一种特殊类型的金属材料中。 当外部磁场在某些特定方向上施加时，该材料表现为绝缘体，而当磁场在其他方向上时，该材料表现为导体。这种独特的物理特性具有潜在的应用价值，即它可以帮助开发研究人员预测二碲化钨（WTe2）中存在这样的“粒子”。各种固态材料就像“物质宇宙”，包含着多种具有不同特性的“粒子”。其中一些可以在宇宙中找到对应的真实基本粒子，而其余的可能只存在于某些特殊类型的晶体中。与这项研究相关的工作发表在最新一期的《自然》杂志上。

研究人员将这种新型“粒子”称为II型韦尔费米子，它是标准量子场论中韦尔费米子的“表亲”。 然而，新的“粒子”在电磁场中表现出截然不同的特性。 领导这项研究的是中国科学院物理研究所戴曦研究员、普林斯顿大学物理系副教授Andre （B.）和苏黎世联邦理工学院 。 由 博士 ( ) 和 Troel 教授 ( ) 完成。 同时，研究团队还包括普林斯顿大学的王志军博士、苏黎世联邦理工学院的吴全胜以及 Glais博士（ ）。

研究人员表示，85 年前，在量子理论的早期阶段，物理学家韦尔就否定了此类粒子的可能性。 因为它的存在违反了宇宙的基本规则之一——洛伦兹对称性。 然而，与真空中不同的是，晶体环境破坏了空间的均匀性，不存在洛伦兹对称性，从而为这种新粒子的存在提供了可能性。 宇宙中存在的粒子是用相对论量子场论来描述的费米子凝聚态，该理论结合了量子力学和爱因斯坦的相对论。 根据该理论，固体由原子组成，原子包含围绕其运动的质子和电子。 由于固体中的电子数量极其庞大，并且它们之间相互作用，因此不可能用量子力学理论来准确描述固体中每个电子的运动。 相反，科学家们使用一种称为“准粒子”的简化视图来更有效地描述固体材料中电子的运动，即将耦合在一起的无数真实电子的运动简化为非交互的“准粒子”运动的粒子在由离子和其他电子形成的等效场中，这些准粒子，也称为布洛赫电子，是费米子。

正如电子是真空宇宙中的基本粒子一样，布洛赫电子也被认为是固体材料中的“基本粒子”。 换句话说，从固态物理学家的角度来看，晶体材料本身就是一个“宇宙”，拥有自己的“基本粒子”。 近年来，研究人员发现，这样的“物质宇宙”可以产生相对论量子场论所预测的大部分粒子。 在一些材料中发现了其中的三种准粒子：狄拉克费米子、马约拉纳费米子和外尔费米子。 尽管后两种粒子很难在实验中捕获，但它们开辟了一种在廉价和小规模凝聚态物质系统中验证量子场论的新方法。 由于这些晶体可以在实验室中生长，因此可以在 WTe2 或其他候选材料（例如碲化钼、MoTe2）中通过实验寻找它们。 WTe2 等这些实验材料是由普林斯顿大学的实验人员培育出来的，并于去年发表在《自然》杂志上[1]。

邦纳维克说：“也许人类的想象力可以更进一步，找到相对论量子场论未知的凝聚态粒子。” 当然我们有理由相信这些研究人员能够做到。 宇宙是用量子场论来描述的。 在建立这个描述系统的过程中，使用了某些规范或对称性，例如众所周知的高能粒子必须遵守的洛伦兹对称性。 然而，洛伦兹对称性并不适用于凝聚态物质，因为固体中准粒子运动的速度与光速相比非常小，使得凝聚态理论本质上是一种低能有效理论。 “人们想知道，”索鲁亚诺夫说，“是否有可能在‘物质宇宙’中创造出不符合洛伦兹对称性的非相对论‘基本粒子’？”

对于这个问题，国际合作团队给出了肯定的答案。 这项工作始于 2014 年 11 月 和 Deich 访问普林斯顿大学的 。在讨论中，他们注意到 WTe2 在磁场中的异常行为。 普林斯顿大学的一个实验小组在一些材料实验中观察到了这些行为（ 2014），但确认它是由一种新型“粒子”引起的需要更多的努力。 在后续研究中英语作文，他们很快发现，虽然相对论只允许一种外尔费米子存在，但在凝聚态物质中也有可能出现另一种物理上不同的外尔费米子。 标准 I 类外尔费米子在零能量下仅具有两种可能的状态，类似于真空中电子的两种不同自旋态。 这种系统在零能量下的态密度为零，因此它不会产生许多有趣的热力学效应。 这种外尔费米子存在于相对论场论中，并且是洛伦兹不变性所允许的唯一的外尔费米子。 新预测的II型外尔费米子系统在零能量下具有有限的态密度，即具有有限尺寸的费米面。 II 型韦尔点出现在电子型费米面和空穴型费米面之间的接触点处。 这赋予了II型外尔费米子系统一个新的特性，即有限态密度，并打破了洛伦兹对称性。

这一发现开辟了许多新的研究方向。 大多数普通金属在磁场中电阻率都会增加，这是一种非常常见的现象。 普林斯顿大学和中国科学院物理研究所近期的理论和实验研究证实，标准I型外尔半金属在同一方向施加电场和磁场时表现出电阻率下降，即纵向负磁阻。 这项新工作表明，对于II型Weyl费米子材料，磁阻行为与晶体方向有关。 当磁场和电流沿着某些特定的晶体方向时，电阻率会像普通金属一样增加费米子凝聚态，而在其他方向上电阻率会像外尔半金属一样下降。 这些复杂的传输特性具有潜在的应用。

“更有趣的问题是，在其他凝聚态物质系统中能否发现更多的‘基本粒子’？” 博纳威克说。 “无限的‘物质宇宙’中还隐藏着哪些‘粒子’？对此的研究或许才刚刚开始。”

普林斯顿大学的研究人员由国防部、美国海军研究办公室、国家科学基金会、大卫和 WM 凯克基金会资助。 苏黎世联邦理工学院的研究人员由微软研究院、瑞士国家科学基金会和欧洲研究委员会资助。 戴曦获得国家自然科学基金、科技部973计划、中国科学院的资助。 在此谢谢您了。 （原标题：科学家发现第二类外尔费米子）