英国《自然》杂志6月19日在线发表了中国科学院物理研究所的一项最新成果，该所科研团队首次发现了突破传统分类的新型费米子——三重简并费米子，为固体材料中电子拓扑态研究开辟了新的方向。该发现从理论预言、样品制备、到实验观测的全过程，均由我国科学家独立完成。

图：固体材料中实验发现的三种费米子：四重简并的狄拉克费米子（左）、两重简并的外尔费米子（中）、三重简并的新型费米子（右） 

新型费米子的发现，是继“拓扑绝缘体”、“量子反常霍尔效应”、“外尔费米子”之后，中科院物理所在拓扑物态研究领域的又一项重大突破。科研人员认为，“固体宇宙”中新型粒子的研究刚刚开始，这一研究成果对促进人们认识电子拓扑物态，发现新奇物理现象，开发新型电子器件，以及深入理解基本粒子性质都具有重要的意义。

2016年4月，中科院物理所科研人员翁红明、方辰、戴希、方忠预言在一类具有碳化钨晶体结构的材料中存在三重简并的电子态，其准粒子就是三重简并费米子，是不同于四重简并的狄拉克费米子和两重简并的外尔费米子的新型费米子。

该所石友国指导博士生冯子力迅速制备出碳化钨家族中的磷化钼单晶样品，丁洪和钱天指导博士生吕佰晴，在上海光源“梦之线”和瑞士保罗谢勒研究所经过几个月的实验测量，成功解析出磷化钼的电子结构，与翁红明指导博士生许秋楠的计算结果高度吻合，首次实验发现突破传统分类的三重简并费米子。

翁红明等人的理论工作还指出，三重简并费米子态与狄拉克费米子和外尔费米子态不同，它对外加磁场的方向敏感，使得含有它的母体材料具有磁场方向依赖的输运性质。

近期，该所陈根富研究组在碳化钨中观测到与狄拉克半金属和外尔半金属显著不同的方向依赖输运行为，紧接着德国马克斯-普朗克研究所的科学家在磷化钼中观测到极低电阻行为，这些都有可能是这种新型费米子的独特表现。

据了解，组成宇宙的基本粒子可分为波色子和费米子。现有的理论认为宇宙中可能存在三种类型的费米子，即狄拉克费米子、外尔费米子和马约拉纳费米子。与时空连续的宇宙空间不同，电子所处的“固体宇宙”只满足不连续的分立空间对称性，这就可能导致传统理论中所没有的新型费米子。寻找新型费米子是近年来拓扑物态领域一个挑战性的前沿科学问题，也是该领域国际竞争的焦点之一。

文章链接：

B. Q. Lv, et al, "Observation of three-component fermions in the topological semimetal molybdenum phosphide," Nature (2017) doi:10.1038/nature22390

（本文来源：中国科学报；）

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