中国科学家发现新型手性费米子

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心研究员丁洪、钱天和副研究员孙煜杰团队与中国人民大学物理学系雷和畅等合作者共同发现三维材料CoSi中存在新型手性费米子的确定证据。该实验结果证明了新型手性费米子的存在，为探索由手性费米子引起的新奇物理现象提供了一个较为理想的平台。相关研究成果于3月20日发表在《自然》上。

手性是指一个物体与其镜像不能重合的现象，比如我们的双手，左右与右手不能重合。手性现象在自然界中广泛存在，在物理学中表示一种重要的“对称性”。在相对论物理中，手性是指无质量粒子的自旋和动量方向平行或者反平行，尽管90年前理论预测了存在无质量手性费米子——外尔费米子，但它们作为基本粒子的存在尚未经过实验证实。

论文通讯作者之一钱天告诉《中国科学报》，在固体中，一些材料的体态电子结构因某些对称性或者拓扑的保护致使能带交叉时不会杂化，出现能带简并。这个特征介于金属和绝缘体或半导体之间，属于半金属材料，也被称为拓扑半金属。在简并点附近会激发各种类型的费米准粒子。

迄今为止，实验已经证明“固体宇宙”中存在3种费米准粒子：四重简并的狄拉克费米子、二重简并的外尔费米子、以及三重简并费米子。只有外尔费米子具有手性，狄拉克费米子和三重简并费米子本身没有手性。钱天表示，“可以通过破缺对称性，比如外加磁场，将它们退简并成手性的外尔费米子。”

全新的奇特拓扑量子材料狄拉克半金属和三重简并点半金属中表现出的许多物理性质，例如手性反常导致的负磁阻效应和表面态费米弧，本质上都是来源于手性的外尔费米子。