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中国科学家发现外尔费米子 可用于手机电池

来源:人民日报作者:吴月辉  2015-07-24 13:32点击: 二维码
近日,由中国科学院物理研究所研究员方忠等率领的科研团队又取得重大突破,首次发现了具有“手性”的电子态——外尓费米子。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。从理论预言到实验观测的全过程,都由中国科学家独立完成。

中国科学家发现外尔费米子 可用于手机电池

  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。外尔费米子是德国科学家威尔曼·外尔在1929年预言的。他提出,无“质量”(即线性色散)电子可以分为左旋和右旋两种不同“手性”。这种无“质量”的电子被命名为“外尔费米子”。不过,科学家们始终无法在实验中观测到这种粒子。

  无“质量”电子的实现

  近年来,拓扑绝缘体尤其是拓扑半金属领域的飞速发展,为外尔费米子的产生和观测提供了新思路。2012年和2013年,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,虽然由于某些对称性的保护,两个“手性”相反的电子态重叠在一起无法分开,但向实现真正分离的“手性”电子迈出了关键的一步。

中国科学家发现外尔费米子 可用于手机电池

  冲破对称性的保护

  2014年,该团队首次预言在TaAs,TaP,NbAs和NbP等材料体系中可打破中心对称的保护,实现两种“手性”电子的分离。这一系列材料能自然合成,无需进行掺杂等细致繁复的调控,更利于实验发现。这一结果立刻引起了实验物理学家的重视,许多研究组开始了竞赛般的实验验证工作。

  发现外尓费米子

  外尓费米子藏身于TaAs晶体当中。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,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Weyl费米子80多年后第一次展现在科学家面前。TaAs家族材料呈体心四方结构,其晶格动量空间存在12对手性相反的Weyl费米子。Weyl点附近的贝里曲率呈刺猬状分布,与实空间中点电荷产生的电场分布类似,表明它们是动量空间中的磁单极子。在TaAs的(001)表面上,会出现连接不同手性Weyl费米子投影的费米弧,能被ARPES实验直接观测到。

中国科学家发现外尔费米子 可用于手机电池

  “手性”电子大有可为

  具有“手性”Weyl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Weyl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。

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