“三重简并费米子”的特点和发现的意义

魏亮

英国《自然》杂志2017年6月19日在线发表了中国科学院物理研究所的一项最新成果，该所科研团队首次发现了突破传统分类的新型费米子——三重简并费米子，为固体材料中电子拓扑态研究开辟了新的方向。该发现从理论预言、样品制备到实验观测的全过程，均由中国科学家独立完成。

组成宇宙的基本粒子可分为玻色子和费米子。费米子是自旋量子数为半整数的基本粒子，遵从泡利不相容原理，即一个量子态只能被一个粒子所占据。量子场论和相对论告诉我们，宇宙中遵守费米统计的费米子只可能有三种，即有质量的狄拉克费米子、无质量的具有相反手性的外尔费米子、正反粒子相同的马约拉纳费米子。在特定条件下，一个带有四重简并度的狄拉克费米子可以分成一对带有两重简并度的外尔费米子或马约拉纳费米子。（在量子力学中，若一个能级与一种以上的状态相对应，则称之为简并能级，属于同一能级的不同状态的数目称为该能级的简并度，或称作几重简并。）目前在真实宇宙中只发现了狄拉克费米子，人们所熟知的电子、质子、中子等就属于狄拉克费米子。近年已在 “固体宇宙”中发现了外尔费米子，并有马约拉纳费米子存在的较强实验证据。与时空连续的宇宙空间不同，电子所处的“固体宇宙”只满足不连续的分立空间对称性，这就可能导致传统理论中所没有的新型费米子。寻找新型费米子是近年来拓扑物态领域一个挑战性的前沿科学问题，也是该领域国际竞争的焦点之一。

2016年4月，中科院物理所科研人员翁红明、方辰、戴希、方忠预言在一类具有碳化钨晶体结构的材料中存在三重简并的电子态，其准粒子就是三重简并费米子，它对外加磁场的方向敏感，使得含有它的母体材料具有磁场方向依赖的输运性质。近期，该所陈根富研究组在碳化钨中观测到与狄拉克半金属和外尔半金属显著不同的方向依赖输运行为，紧接着德国马克斯-普朗克研究所的科学家在磷化钼中观测到极低电阻行为，这些都有可能是這种新型费米子的独特表现。