聽說過“上帝粒子”，那你聽說過“幽靈粒子”嗎？中國科學(xué)家今日公布的成果顯示，他們成功捕捉到一種困擾物理學(xué)家近一個(gè)世紀(jì)的“幽靈粒子”——外爾費(fèi)米子（Weyl費(fèi)米子）。至于有什么用？這項(xiàng)成果可以解決手機(jī)待機(jī)時(shí)間短的問題，比如，可以實(shí)現(xiàn)手機(jī)電池一年充一次電。

　　科學(xué)家把基本粒子分為玻色子和費(fèi)米子兩大類，費(fèi)米子是組成物質(zhì)的基本粒子。外爾費(fèi)米子是德國科學(xué)家威爾曼·外爾在1929年預(yù)言的。他提出，無“質(zhì)量”（即線性色散）電子可以分為左旋和右旋兩種不同“手性”。這種無“質(zhì)量”的電子被命名為“外爾費(fèi)米子”。不過，科學(xué)家們始終無法在實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到這種粒子。

　　無“質(zhì)量”電子的實(shí)現(xiàn)

　　近年來，拓?fù)浣^緣體尤其是拓?fù)浒虢饘兕I(lǐng)域的飛速發(fā)展，為外爾費(fèi)米子的產(chǎn)生和觀測(cè)提供了新思路。2012年和2013年，物理所的理論研究團(tuán)隊(duì)首次預(yù)言在狄拉克半金屬中可實(shí)現(xiàn)無“質(zhì)量”的電子，雖然由于某些對(duì)稱性的保護(hù)，兩個(gè)“手性”相反的電子態(tài)重疊在一起無法分開，但向?qū)崿F(xiàn)真正分離的“手性”電子邁出了關(guān)鍵的一步。

　　沖破對(duì)稱性的保護(hù)

　　2014年，該團(tuán)隊(duì)首次預(yù)言在TaAs，TaP，NbAs和NbP等材料體系中可打破中心對(duì)稱的保護(hù)，實(shí)現(xiàn)兩種“手性”電子的分離。這一系列材料能自然合成，無需進(jìn)行摻雜等細(xì)致繁復(fù)的調(diào)控，更利于實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)。這一結(jié)果立刻引起了實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家的重視，許多研究組開始了競(jìng)賽般的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證工作。

　　發(fā)現(xiàn)外尓費(fèi)米子

　　外尓費(fèi)米子藏身于TaAs晶體當(dāng)中。物理所的陳根富小組首先制備出了具有原子級(jí)平整表面的大塊TaAs晶體，隨后物理所丁洪小組利用上海光源“夢(mèng)之線”的同步輻射光束照射TaAs晶體，使得Weyl費(fèi)米子80多年后第一次展現(xiàn)在科學(xué)家面前。TaAs家族材料呈體心四方結(jié)構(gòu)，其晶格動(dòng)量空間存在12對(duì)手性相反的Weyl費(fèi)米子。Weyl點(diǎn)附近的貝里曲率呈刺猬狀分布，與實(shí)空間中點(diǎn)電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)分布類似，表明它們是動(dòng)量空間中的磁單極子。在TaAs的（001）表面上，會(huì)出現(xiàn)連接不同手性Weyl費(fèi)米子投影的費(fèi)米弧，能被ARPES實(shí)驗(yàn)直接觀測(cè)到。

　　“手性”電子大有可為

　　具有“手性”Weyl費(fèi)米子的半金屬能實(shí)現(xiàn)低能耗的電子傳輸，有望解決當(dāng)前電子器件小型化和多功能化所面臨的能耗問題，同時(shí)Weyl費(fèi)米子也受到對(duì)稱性的保護(hù)，可以用來實(shí)現(xiàn)高容錯(cuò)的拓?fù)淞孔佑?jì)算。