城大科學(xué)家首度發(fā)現(xiàn)非配對(duì)的“外爾磁單極子”
就像磁鐵總是有南極和北極一樣，凝聚態(tài)物質(zhì)中一種被稱為“外爾費(fèi)米子”（Weyl Fermions）的特殊準(zhǔn)粒子，總是以成對(duì)的方式出現(xiàn)，并具有相反的手性（chirality）。長(zhǎng)久以來，科學(xué)界都沒有任何實(shí)驗(yàn)報(bào)告證明凝聚態(tài)物質(zhì)中存在非配對(duì)的外爾點(diǎn)（Weyl point）。直到最近，香港城市大學(xué)（城大）一位物理學(xué)家終于在一種特殊的單晶固體中，首次觀察到非配對(duì)的“外爾磁單極子”（unpaired Weyl magnetic monopole），在相關(guān)研究領(lǐng)域取得重大突破。
今次研究由城大物理學(xué)系助理教授馬均章博士，以及瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（école Polytechnique Fédérale de Lausanne, EPFL）和保羅謝爾研究所（Paul Scherrer Institute）的科學(xué)家共同領(lǐng)導(dǎo)。闡述研究成果的論文已刊載于著名的學(xué)術(shù)期刊《自然通訊》（Nature Communications），標(biāo)題為“Observation of a singular Weyl point surrounded by charged nodal walls in PtGa”（在鉑鎵內(nèi)實(shí)驗(yàn)觀察到一個(gè)被帶電結(jié)點(diǎn)墻包圍的非配對(duì)外爾磁單極子）。
馬均章博士說：“我們是第一個(gè)在實(shí)驗(yàn)中成功觀察，并記錄到非配對(duì)的外爾磁單極子的研究團(tuán)隊(duì)。今次的發(fā)現(xiàn)，為日后尋找固體中非配對(duì)的外爾磁單極子的體態(tài)拓?fù)涮匦裕_辟了一條新的路徑，這將會(huì)促進(jìn)對(duì)基礎(chǔ)拓?fù)湮锢韺W(xué)的理解，以及外爾半金屬在自旋電子學(xué)中的應(yīng)用。”
外爾點(diǎn)：與磁單極子相似的特性
在現(xiàn)實(shí)世界中，一塊磁鐵必會(huì)同時(shí)擁有南極和北極。雖然現(xiàn)代物理學(xué)理論認(rèn)為，只有一個(gè)磁極的“磁單極子”（magnetic monopole）的量子基本單位應(yīng)該存在，但過去一直沒有任何實(shí)驗(yàn)或觀測(cè)，證明磁單極子的存在。故尋找磁單極子一直是現(xiàn)代物理學(xué)界所追尋的。
情況相近的是，在凝聚態(tài)物質(zhì)半金屬晶體中的外爾點(diǎn)（Weyl points）也具有與磁單極子類似的性質(zhì)。馬博士解釋︰“因此，凝聚態(tài)物質(zhì)中的外爾點(diǎn)也被稱為外爾磁單極子。”
根據(jù)許多物理學(xué)家的看法，外爾點(diǎn)與磁單極子相類似。他們普遍認(rèn)為，由于眾所周知的“Nielsen-Ninomiya no-go theorem”（尼爾森-尼諾米亞不可行定理），固體中非配對(duì)（unpaired）的外爾磁單極子不可能單獨(dú)存在。因此，人們認(rèn)為在半金屬中的外爾磁單極子在三維動(dòng)量空間中，應(yīng)該總是成對(duì)出現(xiàn)并具有相反的電荷或者手性。但是，外爾點(diǎn)還有一個(gè)不同于磁單極子的特性，即外爾點(diǎn)在單晶固體表面的投影，應(yīng)該總是通過一種叫做“費(fèi)米弧（Fermi arcs）”的導(dǎo)電狀態(tài)所連接起來。費(fèi)米弧就像一條表面電子通道，電子可以與手性相反的外爾點(diǎn)之間通過它來傳輸。
未有成功實(shí)驗(yàn)先例
科學(xué)家過去曾經(jīng)在理論方面作出相當(dāng)?shù)呐Γ铝τ趯ふ页健癗ielsen-Ninomiya no-go theorem”定理的非配對(duì)外爾磁單極子，但一直沒有成功的實(shí)驗(yàn)紀(jì)錄。這令到許多科學(xué)家認(rèn)為，這種“非配對(duì)物態(tài)”很難在單晶固體中存在。
但馬博士有不同的看法。他在龐大的科學(xué)數(shù)據(jù)庫中，搜索了數(shù)以千計(jì)的化合物，最終他發(fā)現(xiàn)其中有數(shù)十種化合物，有很大可能存在著非配對(duì)的外爾磁單極子。他的想法得到了理論物理學(xué)家于計(jì)算上的實(shí)證支持，包括專長(zhǎng)相關(guān)理論的洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院吳泉生博士以及Oleg Yazyev教授。其后，由馬博士和保羅謝爾研究所史明教授領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)在研究所的“瑞士同步輻射光源”（Swiss Light Source）研究設(shè)施展開了一系列的光電子能譜實(shí)驗(yàn)，成功驗(yàn)證了他們初步的想法。
研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合了“角分辨光電子能譜（angle-resolved photoemission spectroscopy, ARPES）實(shí)驗(yàn)”以及密度泛函理論計(jì)算，首次發(fā)現(xiàn)了非配對(duì)的外爾磁單極子可以在多種化合物中出現(xiàn)。在研究半金屬晶體鉑鎵（PtGa）時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)更在晶體的動(dòng)量空間中，確定了多達(dá)37個(gè)外爾磁單極子，并發(fā)現(xiàn)了有關(guān)系統(tǒng)擁有奇數(shù)的37個(gè)外爾點(diǎn)。這些外爾點(diǎn)不是帶著+1電荷（25個(gè)），就是帶著-1電荷（12個(gè)），令它們不能實(shí)現(xiàn)完全配對(duì)。
研究人員亦首次通過實(shí)驗(yàn)，證明了非配對(duì)的外爾磁單極子，在固體材料的動(dòng)量空間內(nèi)，不需要“表面費(fèi)米弧”來連接他們的表面投影。非配對(duì)的外爾點(diǎn)的幾何構(gòu)型，與正常的外爾半金屬截然不同，故預(yù)期這種新型物態(tài)的特性會(huì)有重大的變化，將可成為一個(gè)新的研究方向。
日后研究新方向
馬博士認(rèn)為，今次有關(guān)非配對(duì)的外爾磁單極子的突破性發(fā)現(xiàn)，可以為凝聚態(tài)物質(zhì)中的外爾磁單極子的基礎(chǔ)物理學(xué)，提供新的見解。此外，外爾磁單極子的特殊性質(zhì)，包括高電子遷移率、對(duì)外界磁場(chǎng)的特殊反應(yīng)和低發(fā)熱率，令這物態(tài)有機(jī)會(huì)在未來的神經(jīng)形態(tài)量子計(jì)算和“自旋電子器件”中，大派用場(chǎng)。
馬均章博士和吳泉生博士是今次研究論文的第一作者。馬博士與瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的Yazyev教授和保羅謝爾研究所的史明教授，同時(shí)是論文的通訊作者。為實(shí)驗(yàn)提供單晶固體的合作學(xué)者包括德國(guó)馬克斯普朗克固體化學(xué)物理研究所Claudia Felser教授和Kaustuv Manna博士，以及中國(guó)科學(xué)院強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心的熊奕敏教授和宋猛先生。其他合作的學(xué)者包括中國(guó)科學(xué)院物理研究所丁洪教授和錢天教授。
今次的研究得到了多間大學(xué)及機(jī)構(gòu)的支持，包括城大、瑞士國(guó)家科學(xué)基金會(huì)、中瑞科技合作項(xiàng)目基金、歐盟“地平線2020”科研創(chuàng)新計(jì)劃、Marie Sk?odowska-Curie Actions、歐洲研究委員會(huì)高級(jí)資助經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)技術(shù)部、國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、中科院以及德國(guó)研究聯(lián)合會(huì)（German Research Foundation, DFG）。
DOI number: 10.1038/s41467-021-24289-0
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