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中国科学家首次发现Weyl费米子:低能耗电子传输

2015-07-20 10:20:20

继“拓扑绝缘体”和“量子反常霍尔效应”之后,最近由中国科学院物理研究所方忠研究员等率领的科研团队又取得重大突破,首次发现了具有“手性”的电子态 ——Weyl费米子。这是国际上物理学研究的一项重要科学突破,对“拓扑电子学”和“量子计算机”等颠覆性技术的突破具有非常重要的意义。该发现从理论预 言到实验观测的全过程,都是由我国科学家独立完成。

1929年,德国科学家H. Weyl指出,无“质量”(即线性色散)电子可以分为左旋和右旋两种不同“手性”,这就是Weyl费米子。但是80多年过去了,人们一直没有能够在实验中观测到Weyl费米子。近年来,拓扑绝缘体,尤其是拓扑半金属领域的飞速发展为Weyl费米子的产生和观测提供了新的思路和途径。

无“质量”电子的实现

2012年和2013年,物理所的理论研究团队首次预言在狄拉克半金属中可实现无“质量”的电子,虽然由于某些对称性的保护,两个“手性”相反的电子态重叠在一起无法分开,但向实现真正分离的“手性”电子迈出了关键的一步。

冲破对称性的保护

2014年,该团队首次预言在TaAs,TaP,NbAs和NbP等材料体系中可打破中心对称的保护,实现两种“手性”电子的分离。这一系列材料能自然合成,无需进行掺杂等细致繁复的调控,更利于实验发现。这一结果立刻引起了实验物理学家的重视,许多研究组开始了竞赛般的实验验证工作。

发现Weyl费米子

Weyl费米子藏身于TaAs晶体当中。物理所的陈根富小组首先制备出了具有原子级平整表面的大块TaAs晶体,随后物理所丁洪小组利用上海光源“梦之线”的同步辐射光束照射TaAs晶体,使得Weyl费米子80多年后第一次展现在科学家面前。

“手性”电子大有可为

具有“手性”Weyl费米子的半金属能实现低能耗的电子传输,有望解决当前电子器件小型化和多功能化所面临的能耗问题,同时Weyl费米子具有拓扑稳定性,可以用来实现高容错的拓扑量子计算。


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