中國科研團隊率先發現“幽靈粒子”

86年前，德國數學家、物理學家赫爾曼·外爾（H·Weyl）預言存在一種沒有質量的粒子——Weyl費米子，這種粒子帶有非常獨特的物理特性。但是，科學家們一直沒有發現這種粒子的存在。在長時間內，Weyl費米子就像是幽靈一般，人們難以發現它在陽光下的影子。

7月20日，這個幽靈般的粒子終於現出了原形，中國科學院物理研究所發布消息，鉭砷晶體（TaAs）等四種非磁性的半金屬材料中發現了Weyl費米子。這是國際上物理學研究的一項重要突破。

這一類科學研究屬於物理學中的凝聚態物理學領域，相比於量子物理等理論物理來，凝聚態物理屬於注重應用的交叉學科。凝聚態物理一個重要的研究內容就是，發現新物態，標識新物態，觀測、理解並調控它所具有的物理性質以及不同物態之間的相互轉變。因此，中科院物理研究所的這一科研成果，讓人們對於諸如量子計算機等科技轉化品更加期待。

●撰文：南方日報駐京記者 王騰騰 實習生 韓麗媛 策劃統籌：羅彥軍 陳超

科學家預測存三種費米子

科學家們認為，存在狄拉克、馬約拉納和Weyl費米子，此前已在粒子加速器內發現了前兩種費米子的證據，但始終沒有發現Weyl費米子的蹤跡，它如幽靈般存在

中科院物理研究所的這項科研成果最重要的核心就是對於Weyl費米子的發現。1928年，狄拉克提出描述相對論電子態的狄拉克方程。1929年，德國科學家H·Weyl指出，狄拉克方程質量為零的解描述的是一對重疊在一起的具有相反手性的新粒子，這就是“Weyl費米子”。

手性廣泛存在於自然界中，在多種學科中表示一種重要的對稱特點。如果某物體與其鏡像不同，則其被稱為“手性”的，且其鏡像是不能與原物體重合的，就如同左手和右手互為鏡像而無法疊合。

在物理學領域，人們將構成物質的最小最基本的單位，且在不改變物質屬性的前提下的最小體積物質稱作“基本粒子”。它是組成各種各樣物體的基礎。

按照不同的參照標準，基本粒子有多種區分方法。根據作用力的不同，可分為強子、輕子、傳播子三大類。根據自旋倍數的不同，則可以分為玻色子與費米子。

粒子的四種屬性中，最重要的屬性便是自旋。自旋的屬性把粒子分割成了完全不同的兩類，就像是人類的男女性別。粒子的自旋並非像是地球一樣的連續不間斷的自旋，而是跳躍式的，就像是在打節拍跳舞。有的粒子在跳舞時總是轉半圈或者是半整數，那它就是費米子。而有的粒子則能轉一圈或者整數圈，那它就是玻色子。

這種自旋差異使費米子和玻色子有完全不同的特性。沒有任何兩個費米子能有同樣的量子態。它們沒有相同的特性，也不能在同一時間處於同一地點。而玻色子卻能夠具有相同的特性。

自旋方向又可以分為左手自旋以及右手自旋，完全是兩個相反的自旋方向。Weyl費米子卻同時具有左手自旋以及右手自旋。根據“手性”的定義，Weyl費米子也就同時具有了左手手性以及右手手性，這對於其特殊的性質構成起到了決定性作用。

基本粒子中所有的物質粒子都是費米子，是構成物質的原材料，如輕子中的電子、組成質子和中子的夸克、中微子；而傳遞作用力的粒子，如光子、介子、膠子等，都是玻色子。

人們所熟知的被稱作“上帝粒子”的希格斯粒子，其本身就是一種“玻色子”。經過長期研究和探索，科學家們建立起被稱為“標準模型”的粒子物理學理論，它把基本粒子分成3大類：夸克、輕子與玻色子。“標準模型”的出現，使得各種粒子如萬鳥歸林般擁有了一個共同的“家園”。

但是這一“家園”有個致命缺陷，那就是該模型無法解釋物質質量的來源。為了修補缺陷，希格斯提出了希格斯場的存在，併進而預言了希格斯玻色子的存在。他假設希格斯玻色子是物質的質量之源，是電子和夸克等形成質量的基礎。其它粒子在希格斯玻色子構成的海洋中游弋，受其作用而生慣性，最終才有了質量。

科學家們認為，存在狄拉克、馬約拉納和Weyl費米子，此前已在粒子加速器內發現了前兩種費米子的證據，但始終沒有發現Weyl費米子的蹤跡，它如幽靈般存在。

爭相探尋無質量的電子

三種費米子具有相似的特性，其中之一就是質量為0。起初，人們認為費米子就是中微子。但卻無法證明，因為三種中微子——電子中微子、繆中微子、陶中微子之間存在振蕩的現象

從提出到發現Weyl費米子用去了科學界86年的時間，為了找到它，全世界的科學家都在爭相創造可能存在Weyl費米子的人工環境。實際上，前兩種費米子的發現也頗費周折，尤其是馬約拉納費米子。

馬約拉納費米子最早是由義大利物理學家埃托雷·馬約拉納於1937年預測的。這種粒子是獨一無二的，因為它是唯一同時具有物質與反物質特性的粒子。一般認為，玻色子的反粒子可以是其自身，費米子則不是。但是在1937年，義大利物理學家埃托雷·馬約拉納對英國物理學家保羅·狄拉克用於描述費米子和玻色子行為的方程式進行了改寫，並預測自然界中可能存在一種費米子是自己的反粒子，人們將其稱為馬約拉納費米子，認為其在量子計算中可用來形成穩定的比特。

但是，科學家一直沒有找到它。直到2014年10月，美國普林斯頓大學和德克薩斯大學奧斯汀分校的一個科學家團隊宣佈，他們已經找到了神秘莫測的馬約拉納費米子。在此之前科學家已經尋找了近80年。

三種費米子具有相似的特性，其中之一就是質量為0。起初，人們認為費米子就是中微子。但卻無法證明，因為三種中微子——電子中微子、繆中微子、陶中微子之間存在振蕩的現象。

費米子在某些特性上與中微子具有相似性，比如几乎不與周圍的環境發生作用，這也是其極難被發現的原因之一。每天，大量從太陽散髮出來的中微子都會抵達地球，但是它們毫髮無損、悄無聲息地就穿越了地球，輕輕地走，不留一絲痕跡。在標準模型中，中微子的質量也被認為是0，然而一系列的科學實驗證明，中微子雖然微小，但是仍然具有質量，其表現就是“振蕩”，即可以由電子中微子振蕩為繆中微子。而振蕩只有在有質量的粒子間進行。

中科院物理所戴希研究員在博客上表示，他的同事、科研團隊成員翁紅明等人年初找到了鉭砷晶體（TaAs）等四種非磁性的Weyl半金屬材料，這是科研取得進展的關鍵。

近年來，拓撲緣體，尤其是拓撲半金屬領域的飛速發展為Weyl費米子的生和觀測提供了新的思路和途徑。

突破首先來自拓撲狄拉克半金屬的發現。中科院物理所方忠、戴希、翁紅明及合作者於2012年和2013年先后從理論上預言兩種狄拉克半金屬，其費米面由四度簡並的狄拉克點構成，是無質量的狄拉克費米子。2014年，他們跟實驗組合作，分別在這兩種狄拉克半金屬中觀測到了三維狄拉克錐，證實了理論預言，被稱為首次發現“三維石墨烯”。

實際上，石墨烯的超高導電性能也是由於狄拉克點的存在而生的。狄拉克點的存在使得低能電子向高能電子之間的躍遷非常活躍。

最近，翁紅明、方忠、戴希等一起，通過計算，發現TaAs（鉭砷晶體）等四種同結構家族材料是天然存在的非磁性非中心對稱的Weyl半金屬。

中科院物理所的陳根富小組首先製備出了具有原子級平整表面的大塊TaAs晶體，而Weyl費米子就藏身於這種晶體中。隨后物理所丁洪小組利用上海光源“夢之”的同步輻射光束照射TaAs晶體，使得Weyl費米子第一次展現在人們面前。

或在量子計算機中大展拳腳

當前的電子設備充電套路是電子流通過電線和電路進入設備。這些粒子不僅笨重、不易控制，還會導致能量流失。如果我們用Weyl費米子將之置換掉，一個費米子裝置就能夠保證電流几乎不流失

Weyl費米子的發現將極大地推進未來技術的發展，據科研人員介紹，具有“手性”的Weyl費米子的半金屬能實現低能耗的電子傳輸，有望解決當前電子器件小型化和多功能化所面臨的能耗問題。

當前的電子設備充電套路是電子流通過電線和電路進入設備。這些粒子不僅笨重、不易控制，還會導致能量流失。如果我們用Weyl費米子將之置換掉，一個費米子裝置就能夠保證電流几乎不流失，並且能保證在几乎不損耗能源的情況下完成高功率計算。

同時Weyl費米子也受到對稱性的保護，製造比現在的超級計算機運行速度更快的量子計算機。

二進制下，一台計算機最重要的是實現0態到1態的構建，並可以控制雙態之間的轉換。電子管的發明拉開了現代計算機的序幕，晶體管的發明與應用則大大減少了計算機的功耗與體積，提升了計算速度。可以看出，導體材料的發展對於計算機的運算與設計具有重大作用。

在計算速度方面，器件頻率的高低是最關鍵的參數，決定這一參數高低的是材料中電子躍遷率的高低。傳統計算機已經在這方面遇到了瓶頸。石墨烯材料的出現，讓人們重燃希望。因為在石墨烯中，存在狄拉克點，很容易實現很高的電子躍遷率，從而提高器件工作效率。但是石墨烯並不是完美的。

而后，針對狄拉克電子的特性而出現的三維狄拉克材料，雖然能滿足石墨烯不能滿足的特性，但是該材料在空氣中極不穩定。而且，這些材料狄拉克點上費米子的兩種自旋無法分開，就沒有辦法實現0態到1態之間的轉變。

由於總是成對出現的Weyl費米子的“手性”特徵，如TaAS（鉭砷晶體）Weyl半金屬材料中，每一對Weyl點上的費米子都對應了不同的自旋和手性，正好可以做0態和1態，且具有和狄拉克點同樣高的電子躍遷率。而且，鉭砷晶體性質穩定，便於應用。

但是，這同樣距離真正的量子計算機應用有一段距離，“製造這樣一台設備所面臨的最大挑戰就是過去曾被用來進行量子計算的光子等粒子的量子態所具有的脆弱性。電磁干擾或物理干擾可以輕鬆地導致粒子失去或改變數子態，並打亂它們本應進行的計算。”翁紅明。

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發現Weyl費米子　誰是首次？

在中國科學院物理研究所公佈發現Weyl費米子的前兩天，一則消息稱，普林斯頓大學物理學家扎伊德·哈桑領導的團隊首次通過實驗，在Weyl半金屬中造出了Weyl費米子。

事實上，在中方科研人員看來，是以中科院物理所為主的中國科學家首次通過理論計算發現這種半金屬，也是中國科學家首次通過角分辨光電子能譜發現了Weyl費米子的存在。

80多年來，科學家一直沒有在實驗中發現Weyl費米子。直到2015年1月初，依據中科院物理所研究員方忠帶領的研究組的理論預言和材料計算結果，中科院物理所陳根富小組製備出了具有原子級平整表面的大塊砷化鉭（TaAs）晶體，中科院物理所丁洪小組利用他們不久前在上海光源建成的“夢之”角分辨光電子能譜實驗站上對TaAs晶體進行測量，首次觀測到Weyl費米子的特徵性現象——表面費米弧。

只要觀測到費米弧，就能斷定Weyl費米子的存在，即從實驗上發現了這種奇特的粒子。

2月16日，這個實驗小組在物理學界知名的學術交流網站arXiv上，公開了費米弧的發現，宣佈Weyl費米子被發現。

几乎同時，美國麻省理工學院以及普林斯頓大學教授哈桑的兩個實驗小組也在arXiv網站上公開了類似的研究成果。

2月17日，丁洪研究小組把這項學術成果提交給了《科學》雜誌。然而，7月16日，《科學》雜誌在刊登了哈桑小組和麻省理工學院的研究成果，而中國科學家的論文被意外拒稿。最終該論文在未作修改的情況下被在物理學界極具影響力的《物理評論X》接受發表。

中國科研人員認為，中國科學家的原創工作毋庸置疑。正是中國科學家在拓撲半金屬領域中開創性的理論工作，找到了Weyl半金屬，才能發現Weyl費米子。這為Weyl費米子的發現提供了新的思路和途徑。在國際同行眼中，中國科學家的這一發現，從材料理論預言到實驗觀測都是獨立完成。

2012年、2013年兩年裏，中科院物理研究所方忠研究組及合作者先后從理論上預言鈉三鉍晶體（Na3Bi）和三砷化二鉻晶體（Cd3As2）是狄拉克半金屬。2014年，他們證實了理論預言，首次發現“三維版本的石墨烯”。這為發現Weyl費米子邁出了關鍵性的一步。

2015年1月5日，中科院物理所的研究團隊收到了來自哈桑小組的一封信。信中告知，他們也有類似的工作，並也將當時尚未發表的論文張貼在arXiv網站上。

根據《中國科學報》報導，哈桑強調了這篇論文的重要性，並稱“這篇論文於2014年11月提交給《自然-通訊》雜誌，比中國科學家的結果早很多”。

然而，事實是這篇論文在2015年4月30日才被期刊正式接收，最終在2015年6月12日刊發。這已經是在中科院物理所團隊的成果發表近3個月之后。而且哈桑小組在這篇文章中使用了中方科研人員翁紅明參與開發的計算軟件包，並引用了以他為第一作者於2009年發表的一篇文章。

根據時間先后來判斷，中國科學院物理研究所的科研團隊並沒有理由失去“首發權”。