科学家首次在实验中发现一维外尔费米子

外尔费米子是一种在高能物理理论中被预言存在的粒子。它被理论预言可以存在于所有奇数维度（一维、三维）体系中，但目前人们对固体中外尔费米子的研究均在三维体系中开展，即三维外尔费米子。理论预言的最低维度（一维外尔费米子）仍未在实验中发现。

近日，华东师范大学研究员袁翔课题组和合作者一起，在低维准粒子激发研究中取得重要进展。联合团队通过强磁场在三维拓扑绝缘体五碲化铪（HfTe₅）中，发现了一维外尔费米子，并探索了其特殊的电磁响应。9月30日，相关成果在线发表于《自然—材料》。

“该研究首次在三维体系中，通过极强的磁场找到一维外尔费米子。”袁翔告诉《中国科学报》，“外尔费米子对光和电有着特殊的响应，这在现有的三维外尔费米子体系中已得到验证。我们通过强磁场红外光谱技术和脉冲强磁场电学测量技术，观察到了上述响应的一维‘版本’。”

理论上，外尔费米子可以存在于所有奇数维度体系中。科学家已经在三维体系中找到外尔费米子，并对其开放费米弧、三维外尔轨道、手征异常等独特性质开展了广泛研究。但一维外尔费米子作为外尔方程描述的最低维、简洁的形态，其相关研究仍然空缺。

袁翔介绍说，维度是物理学研究中一个重要概念，通过降低研究体系的维度（如制备一维纳米线材料）实现一维外尔费米子，在实验上存在极大难度，无论是光学、电学手段，都很难对一个尺度过小的系统开展研究。但通过磁场约束三维体系中电子的行为，等效降低维度，为在实验上探测一维外尔费米子性质提供了一种可能。

“此类研究对研究体系有着极高的限制，需要符合多种物理性质才能最终在低温强磁场下实现‘一维外尔费米子’的激发。”该论文共同第一作者、华东师范大学博士生吴闻彬说，“开展这项研究前，我们对许多三维体系进行了相关的电学、光学测试，最终发现能在HfTe₅中实现对一维外尔费米子奇异物理性质的探索。”

相关实验需要在强磁场（约是地球磁场的70万倍），极低温（零下270摄氏度）等极端条件下开展。为此，研究团队在实验室内搭建多套低温强磁场系统，并与相应的光学、电学测试系统耦合进行联合测试。

袁翔团队长期致力于发展稳态强磁场红外光谱和电输运测试技术，并与复旦大学研究员张成课题组、中山大学教授严忠波课题组、南方科技大学教授卢海舟课题组和中科院上海技术物理研究所褚君浩院士团队合作，利用国内外强磁场中心（如华中科技大学国家脉冲强磁场中心、美国国家强磁场实验室等）的科学装置，最终在实验上实现了对一维外尔费米子的发现与探索。

研究人员利用强磁场红外光谱技术，发现三维拓扑绝缘体HfTe5在强磁场下发生了三次拓扑相变，由于拓扑绝缘体独特的能带反转和零级朗道能级自旋极化特征，其零级朗道能带在强磁场下发生交叉，同时引起拓扑相变，从而形成“一维外尔模”，其色散和自旋织体类似于三维外尔半金属。

一维外尔模的发现，为探索低维外尔费米子的物性提供了平台。该研究在给出一维外尔模红外光谱学证据的同时，还探究了一维外尔费米子独特的电磁响应。研究人员不仅在强磁场远红外光谱上观察到一维线性能带的发散光学吸收，还在脉冲强磁场输运测试中观察到一维外尔费米子手征异常导致的负磁阻现象。由朗道能带所实现的外尔费米子与来源于传统布洛赫能带的相比，具有严格一维、准粒子参数高度可调、超高态密度等优点。这些特征证实了外尔费米子的一维特征和特殊的电磁响应。

“该研究提供了一种在三维体系中，通过磁场约束等效降低维度，实现低维物理研究的方法。”袁翔说，“一方面找到了最低维外尔费米子，另一方面对一维外尔费米子的光学和电学性质开展了研究，对一维外尔费米子的性质有了一定的认识。”

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41563-022-01364-5