“三重簡(jiǎn)并費(fèi)米子”的特點(diǎn)和發(fā)現(xiàn)的意義

魏亮

英國(guó)《自然》雜志2017年6月19日在線發(fā)表了中國(guó)科學(xué)院物理研究所的一項(xiàng)最新成果，該所科研團(tuán)隊(duì)首次發(fā)現(xiàn)了突破傳統(tǒng)分類的新型費(fèi)米子——三重簡(jiǎn)并費(fèi)米子，為固體材料中電子拓?fù)鋺B(tài)研究開辟了新的方向。該發(fā)現(xiàn)從理論預(yù)言、樣品制備到實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的全過程，均由中國(guó)科學(xué)家獨(dú)立完成。

組成宇宙的基本粒子可分為玻色子和費(fèi)米子。費(fèi)米子是自旋量子數(shù)為半整數(shù)的基本粒子，遵從泡利不相容原理，即一個(gè)量子態(tài)只能被一個(gè)粒子所占據(jù)。量子場(chǎng)論和相對(duì)論告訴我們，宇宙中遵守費(fèi)米統(tǒng)計(jì)的費(fèi)米子只可能有三種，即有質(zhì)量的狄拉克費(fèi)米子、無(wú)質(zhì)量的具有相反手性的外爾費(fèi)米子、正反粒子相同的馬約拉納費(fèi)米子。在特定條件下，一個(gè)帶有四重簡(jiǎn)并度的狄拉克費(fèi)米子可以分成一對(duì)帶有兩重簡(jiǎn)并度的外爾費(fèi)米子或馬約拉納費(fèi)米子。（在量子力學(xué)中，若一個(gè)能級(jí)與一種以上的狀態(tài)相對(duì)應(yīng)，則稱之為簡(jiǎn)并能級(jí)，屬于同一能級(jí)的不同狀態(tài)的數(shù)目稱為該能級(jí)的簡(jiǎn)并度，或稱作幾重簡(jiǎn)并。）目前在真實(shí)宇宙中只發(fā)現(xiàn)了狄拉克費(fèi)米子，人們所熟知的電子、質(zhì)子、中子等就屬于狄拉克費(fèi)米子。近年已在 “固體宇宙”中發(fā)現(xiàn)了外爾費(fèi)米子，并有馬約拉納費(fèi)米子存在的較強(qiáng)實(shí)驗(yàn)證據(jù)。與時(shí)空連續(xù)的宇宙空間不同，電子所處的“固體宇宙”只滿足不連續(xù)的分立空間對(duì)稱性，這就可能導(dǎo)致傳統(tǒng)理論中所沒有的新型費(fèi)米子。尋找新型費(fèi)米子是近年來拓?fù)湮飸B(tài)領(lǐng)域一個(gè)挑戰(zhàn)性的前沿科學(xué)問題，也是該領(lǐng)域國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)之一。

2016年4月，中科院物理所科研人員翁紅明、方辰、戴希、方忠預(yù)言在一類具有碳化鎢晶體結(jié)構(gòu)的材料中存在三重簡(jiǎn)并的電子態(tài)，其準(zhǔn)粒子就是三重簡(jiǎn)并費(fèi)米子，它對(duì)外加磁場(chǎng)的方向敏感，使得含有它的母體材料具有磁場(chǎng)方向依賴的輸運(yùn)性質(zhì)。近期，該所陳根富研究組在碳化鎢中觀測(cè)到與狄拉克半金屬和外爾半金屬顯著不同的方向依賴輸運(yùn)行為，緊接著德國(guó)馬克斯-普朗克研究所的科學(xué)家在磷化鉬中觀測(cè)到極低電阻行為，這些都有可能是這種新型費(fèi)米子的獨(dú)特表現(xiàn)。