中国科学家发现外尔费米子

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中国科学家发现外尔费米子 可用于手机电池和量子计算机

幽灵粒子外尔费米子

听说过“上帝粒子”，那你听说过“幽灵粒子”吗？中国科学家今日公布的成果显示，他们成功捕捉到一种困扰物理学家近一个世纪的“幽灵粒子”——外尔费米子（Weyl费米子）。至于有什么用？这项成果可以解决手机待机时间短的问题，比如，可以实现手机电池一年充一次电。

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。外尔费米子被称为预言中的奇特粒子，是当今凝聚态物理最前沿的研究对象之一。如今，被中国学家证实了。

7月20日，中国科学院物理研究所发布消息：他们发现了具有“手性”的电子态——外尔费米子。这是国际上物理学研究的一项重要科学突破，对“拓扑电子学”和“量子计算机”等颠覆性技术的突破具有非常重要的意义。物理所表示，中国科学家的这一发现，从材料理论预言到实验观测都是独立完成。

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1929年，德国数学家、物理学家赫尔曼·外尔（H. Weyl）最先提出了这种无质量（即线性色散）的粒子——外尔费米子——无质量电子可以分为左旋和右旋两种不同“手性”。但是86年来实验从未观测到。　

为了能够找到它，全世界的科学家争相创造可能存在外尔费米子的人工环境。

中科院物理所戴希研究员在博客上表示，他的同事翁红明等人年初找到了钽砷晶体（TaAs）等四种非磁性的外尔半金属材料，是取得进展的关键。翁红明在接受采访时说：“你可以将外尔费米子想象成一个极小的、只有一个磁极的磁棒。”

翁红明说，在自然界中，无论你将磁铁切割成多小，它始终都带有南北两个磁极，磁场在磁极之间流动。作为仅有一个磁极且没有质量的粒子，外尔费米子能够完成诸多当前科技不可企及的任务。

翁红明告诉科技日报记者：“TaAs材料在1960年代就有研究文章，但没有人意识到上面有外尔费米子。我们这一发现的难度在于，从那么多材料中找到合适的，犹如大海捞针，必须对外尔费米子和材料物理性质都有相当认识才行。”

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。

翁红明的发现2014年12月31日提交电子预印本（Arxiv）网站后，这一结果立刻引起了实验物理学家的重视，国际上许多研究组开始了竞赛般的实验验证工作。中科院物理所，北京大学，美国普林斯顿大学等团队都试图在TaAs中找到外尔费米子。

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这是一场激烈竞争。普林斯顿大学团队和中科院物理所团队几乎同时宣布成功。中科院物理所的最新成果将发表在最近一期《自然·物理》杂志上。

英国皇家化学协会网站7月16日报道说：“有两个国际研究组声称发现了电子学的基本建筑单元——外尔费米子。”

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。

外尔费米子的发现将极大地推进未来技术的发展，据介绍，具有“手性”的外尔费米子的半金属能实现低能耗的电子传输，有望解决当前电子器件小型化和多功能化所面临的能耗问题。同时外尔费米子也受到对称性的保护，可以用来实现高容错的拓扑量子计算，制造比现在的超级计算机运行速度更快的量子计算机。

当前的电子设备充电套路是电子流通过电线和电路进入设备。这些粒子不仅笨重、不易控制，还会导致能量流失。如果我们用外尔费米子将之置换掉，一个费米子装置就能够保证电流几乎不流失，并且能保证在几乎不损耗能源的情况下完成高功率计算。

含有外尔费米子的材料能够充当超导体，因而也可应用到量子物理学领域。这种材料能够保持长时间的量子态，而不受或很少受到外部世界的影响，这使它成为打造一台实用、高容错量子计算机的热门材料。

制造这样一台设备所面临的最大挑战就是过去曾被用来进行量子计算的光子等粒子的量子态所具有的脆弱性。电磁干扰或物理干扰可以轻松地导致粒子失去或改变量子态，并打乱它们本应进行的计算。

翁红明说：“不幸的是，外尔费米子这样精美的粒子并不存在于我们的三维世界里。只能在另一个与我们这个世界‘相反’的世界里寻到它的芳踪。”

“不是通过大型粒子加速器，而是简单地在晶体里发现了新的粒子现象。这或许对其他实验有启发：凝聚态物理里，通过一些低能激发，可能产生高能物理范围的粒子行为。”翁红明说，下一步他们将试着寻找“拓扑超导”等新物理现象。

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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。

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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，依据中科院物理所研究员方忠带领的研究组的理论预言和材料计算结果，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。