基本介紹
- 中文名：三重簡併費米子
- 外文名： three-component fermions
- 適用領域：基本粒子性質
- 所屬學科：固體物理
基本概念,種類介紹,發現過程,研究意義,
基本概念
標準模型根據自旋將粒子分成分為費米子和玻色子兩大類，就好像世界上人類的性別一樣重要。費米子（指組成物質的粒子，如輕子中的電子、組成質子和中子的夸克、中微子），有半整數自旋（如1/2，3/2，5/2等），玻色子（指傳遞作用力的粒子，如傳遞電磁力的光子、介子、傳遞強核力的膠子、傳遞弱核力的W和Z玻色子）有整數自旋（如0，1，2等）。自旋的差異使費米子和玻色子有完全不同的特性。費米子擁有半整數的自旋並遵守泡利不兼容原理；玻色子則擁有整數自旋而並不遵守泡利不兼容原理。
費米子可以分為三個“世代”（右圖）。第一代包括電子、上及下夸克及電子中微子。所有普通物質都是由這一代的粒子所組成；第二及第三代粒子只能在高能量實驗中製造出來，且在短時間內衰變成第一代粒子。這些粒子排列成三代是因為每一代的四種粒子與另一代相對應的四種粒子的性質幾乎一樣，唯一的分別就是它們的質量。
圖1.費米子的三個“世代”
種類介紹
在三重簡併費米子發現前，人們認為現有的費米子可能有三種：不帶質量的外爾費米子（Weyl fermion）、帶質量的狄拉克費米子（Dirac fermions）、粒子與反粒子相同的馬約拉納費米子。大多數標準模型中的費米子都是狄拉克費米子，很少數的部分屬於外爾費米子和馬約拉納費米子。其中狄拉克費米子的能級簡併是四重的，外爾費米子的能級簡併是二重的。而馬約拉納費米子的能級簡併不可能是三重的。
這裡的三重簡併指的是在能量相同的點存在三個不同的能級，這些能級的雖然能量一樣，但是自旋數卻不一樣，因此屬於不同的能級。就好比在同一樓層里住了三個人，這三個人雖然屬於同一樓層，但是三個人的卻是三個個體，而不是一個。中國科學院物理研究所發現的三重簡併的費米子指的是一種在晶體中新發現的準粒子，這種準粒子在同一個能級態同時存在三種半奇數自旋數，在標準模型的定義里屬於具有三重簡併的費米子。由於這種三重簡併的費米子不屬於狄拉克費米子，外爾費米子或者馬約拉納費米子，因此它是一種新型的費米子。
發現過程
2016年4月，物理所翁紅明、方辰、戴希、方忠預言在一類具有碳化鎢晶體結構的材料中存在三重簡併的電子態，其準粒子就是三重簡併費米子，是不同於四重簡併的狄拉克費米子和兩重簡併的外爾費米子的新型費米子（圖2和圖3a）。物理所石友國指導博士生馮子力迅速製備出碳化鎢家族中的MoP（磷化鉬）單晶樣品，丁洪和錢天指導博士生呂佰晴，在上海光源“夢之線”和瑞士保羅謝勒研究所經過幾個月的實驗測量，成功解析出MoP的電子結構，觀測到其中的三重簡併點，與翁紅明指導博士生許秋楠的計算結果高度吻合，首次實驗證實突破傳統分類的三重簡併費米子（圖3）。翁紅明等人的理論工作還指出，三重簡併費米子態與狄拉克費米子和外爾費米子態不同，它對外加磁場的方向敏感，使得含有它的母體材料具有磁場方向依賴的輸運性質。近期物理所陳根富研究組在碳化鎢中觀測到與狄拉克半金屬和外爾半金屬顯著不同的方向依賴輸運行為，緊接著德國馬克斯-普朗克研究所的科學家在MoP中觀測到極低電阻行為，這些都有可能是這種新型費米子的獨特表現。“固體宇宙”中新型粒子的研究剛剛開始，這一研究成果對促進人們認識電子拓撲物態，發現新奇物理現象，開發新型電子器件，以及深入理解基本粒子性質都具有重要的意義。
圖2：固體材料中實驗發現的三種費米子：四重簡併的狄拉克費米子
圖3
圖3：（a）四重、三重和兩重簡併點的能帶示意圖，在這些簡併點附近的準粒子分別是狄拉克費米子、三重簡併的新費米子和外爾費米子。紅色或藍色的直線代表非簡併的能帶，紅藍交替的直線代表兩重簡併的能帶。（b）MoP的晶體結構。（c-e）實驗測量的布里淵區三個方向C1、C2、C3的能帶色散。（f-h）相應的能帶計算結果。（i）C1、C2、C3在布里淵區中的位置，其中C1和C3穿過三重簡併點（紅色圓點）。（j）從實驗中提取出的能帶色散構成的三維圖。
研究意義
三重簡併費米子可以看成介於狄拉克費米子和外爾費米子之間的中間態，為研究各費米子間的拓撲相變及相互作用提供了可能。MoP中的三重簡併費米子受晶體對稱性所保護，當破壞晶體某個對稱性時，三重簡併點就會劈裂成為外爾點或者拓撲節線(nodal-line)結構。“固體宇宙”中新型粒子的研究才剛剛開始，未來，除了進一步分析、研究三重簡併費米子的獨特性質外，尋找更多可能存在的新型費米子也是研究的重要方向。“固體宇宙”中新型費米子的研究對促進人們認識電子拓撲物態，發現新奇物理現象，開發新型電子器件，以及深入理解基本粒子性質都具有重要的意義。
