里程碑|上海科大陳宇林團隊Science發文解決全球百年難題

　　作為一類重要的費米子，Weyl費米子最早是由德國物理學家Hermann Weyl于1929年提出的，用以描述高能物理中遵循外爾方程的一種無質量費米子。在此后的探索中，人們一度認為這種漂亮的費米子純粹是一個物理概念，在自然界中并不存在。Weyl半金屬是結晶固體，具有新興的相對論性Weyl費米子，并在電子結構中具有特征性的表面費米弧。 具有逆轉時間對稱性的Weyl半金屬到目前還沒有被發現。

　　2019年9月20日，上海科技大學陳宇林團隊在Science 在線發表題為"Magnetic Weyl semimetal phase in a Kagomé crystal"的研究論文，該研究使用角度分辨光發射光譜，發現鐵磁晶體Co3Sn2S2的電子結構，并發現了其特征表面費米弧和整個Weyl點的線性體帶色散。 這些結果將Co3Sn2S2確立為磁性Weyl半金屬，可以用作實現諸如手性磁效應，異常大的異常霍爾效應和量子異常霍爾效應等現象的平臺。

　　另外，普林斯頓大學Ilya Belopolski等人及以色列魏茨曼科學研究所Noam Morali等人分別在Science 在線發表題為"Discovery of topological Weyl fermion lines and drumhead surface states in a room temperature magnet"及"Fermi-arc diversity on surface terminations of the magnetic Weyl semimetal Co3Sn2S2"的研究論文，這3項研究背靠背的在鐵磁性Co3Sn2S2/Co2MnGa高質量晶體中清晰地觀察到了體態Weyl節點/節線和表面態費米弧，首次在鐵磁性半金屬中觀測到了Weyl費米子。這一理論發現具有非常重要的意義。不僅是因為人們有可能在固體材料中找到那個夢寐以求的神秘粒子，更因為在固體材料中這種費米子將具有零質量、高遷移率、受能帶的拓撲穩定性保護等基本特征，在未來量子計算、量子信息傳遞方面尤其表現出強大優勢。

　　最后，加利福尼亞大學戴維斯分校物理系Eduardo H. da Silva Neto在Science 在線分別題為"Weyling away time-reversal symmetry"的點評文章，指出識別斷裂的TRS Weyl狀態也為進一步研究更奇特的現象鋪平了道路。 例如，在沒有外部磁場的情況下產生霍爾電壓的量子異常霍爾狀態允許無損耗的邊沿電流，這將使下一代電子和自旋電子技術成為可能。

　　在過去的十年中，凝聚態物理學取得了令人興奮的進步：相對論現象可以在易于獲得的材料中進行模擬，拓撲原理可以用于發現具有奇異物理性質的材料。

　　作為一類重要的費米子，Weyl費米子最早是由德國物理學家Hermann Weyl于1929年提出的，用以描述高能物理中遵循外爾方程的一種無質量費米子。在此后的探索中，人們一度認為這種漂亮的費米子純粹是一個物理概念，在自然界中并不存在。Weyl半金屬是結晶固體，具有新興的相對論性Weyl費米子，并在電子結構中具有特征性的表面費米弧。 具有逆轉時間對稱性的Weyl半金屬到目前還沒有被發現。

　　Weyl半金屬（WSM），它們以塊狀和表面費米弧（SFA）態存在新興的Weyl費米子，它們連接相反手性的Weyl點。這會引起不尋常的物理現象，甚至會激發理論上的進步。在固體中，WSM可以存在于破壞時間反轉對稱性（TRS），反演對稱性（IS）或同時破壞兩者的晶體。與破壞IS的WSM相比，破壞TRS的WSM為磁場，電子相關性和拓撲順序之間的相互作用提供了一個場所，這可以產生豐富的外來量子態，從量子異常霍爾（QAH）效應到軸絕緣子。

　　Liu等人使用角度分辨光發射光譜，發現鐵磁晶體Co3Sn2S2的電子結構，并發現了其特征表面費米弧和整個Weyl點的線性體帶色散。 這些結果將Co3Sn2S2確立為磁性Weyl半金屬，可以用作實現諸如手性磁效應，異常大的異常霍爾效應和量子異常霍爾效應等現象的平臺。

　　另外，普林斯頓大學Ilya Belopolski等人及以色列魏茨曼科學研究所Noam Morali等人等到了類似的研究結果，這3項研究在鐵磁性Co3Sn2S2/Co2MnGa高質量晶體中清晰地觀察到了體態外爾節點/節線和表面態費米弧，首次在鐵磁性半金屬中觀測到了Weyl費米子。這一理論發現具有非常重要的意義。不僅是因為人們有可能在固體材料中找到那個夢寐以求的神秘粒子，更因為在固體材料中這種費米子將具有零質量、高遷移率、受能帶的拓撲穩定性保護等基本特征，在未來量子計算、量子信息傳遞方面尤其表現出強大優勢。

　　參考消息：

　　https://science.sciencemag.org/content/365/6459/1282

　　https://science.sciencemag.org/content/365/6459/1278

　　https://science.sciencemag.org/content/365/6459/1286

　　https://science.sciencemag.org/content/365/6459/1248