近日，華東師范大學(xué)研究員袁翔課題組和合作者一起，在低維準(zhǔn)粒子激發(fā)研究中取得重要進(jìn)展。聯(lián)合團(tuán)隊(duì)通過強(qiáng)磁場(chǎng)在三維拓?fù)浣^緣體五碲化鉿（HfTe5）中，發(fā)現(xiàn)了一維外爾費(fèi)米子，并探索了其特殊的電磁響應(yīng)。9月30日，相關(guān)成果在線發(fā)表于《自然—材料》。

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“該研究首次在三維體系中，通過極強(qiáng)的磁場(chǎng)找到一維外爾費(fèi)米子。”袁翔告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，“外爾費(fèi)米子對(duì)光和電有著特殊的響應(yīng)，這在現(xiàn)有的三維外爾費(fèi)米子體系中已得到驗(yàn)證。我們通過強(qiáng)磁場(chǎng)紅外光譜技術(shù)和脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)電學(xué)測(cè)量技術(shù)，觀察到了上述響應(yīng)的一維‘版本’。”

理論上，外爾費(fèi)米子可以存在于所有奇數(shù)維度體系中。科學(xué)家已經(jīng)在三維體系中找到外爾費(fèi)米子，并對(duì)其開放費(fèi)米弧、三維外爾軌道、手征異常等獨(dú)特性質(zhì)開展了廣泛研究。但一維外爾費(fèi)米子作為外爾方程描述的最低維、簡(jiǎn)潔的形態(tài)，其相關(guān)研究仍然空缺。

袁翔介紹說，維度是物理學(xué)研究中一個(gè)重要概念，通過降低研究體系的維度（如制備一維納米線材料）實(shí)現(xiàn)一維外爾費(fèi)米子，在實(shí)驗(yàn)上存在極大難度，無論是光學(xué)、電學(xué)手段，都很難對(duì)一個(gè)尺度過小的系統(tǒng)開展研究。但通過磁場(chǎng)約束三維體系中電子的行為，等效降低維度，為在實(shí)驗(yàn)上探測(cè)一維外爾費(fèi)米子性質(zhì)提供了一種可能。

“此類研究對(duì)研究體系有著極高的限制，需要符合多種物理性質(zhì)才能最終在低溫強(qiáng)磁場(chǎng)下實(shí)現(xiàn)‘一維外爾費(fèi)米子’的激發(fā)。”該論文共同第一作者、華東師范大學(xué)博士生吳聞彬說，“開展這項(xiàng)研究前，我們對(duì)許多三維體系進(jìn)行了相關(guān)的電學(xué)、光學(xué)測(cè)試，最終發(fā)現(xiàn)能在HfTe5中實(shí)現(xiàn)對(duì)一維外爾費(fèi)米子奇異物理性質(zhì)的探索。”

相關(guān)實(shí)驗(yàn)需要在強(qiáng)磁場(chǎng)（約是地球磁場(chǎng)的70萬倍），極低溫（零下270攝氏度）等極端條件下開展。為此，研究團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)搭建多套低溫強(qiáng)磁場(chǎng)系統(tǒng)，并與相應(yīng)的光學(xué)、電學(xué)測(cè)試系統(tǒng)耦合進(jìn)行聯(lián)合測(cè)試。

袁翔團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于發(fā)展穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)紅外光譜和電輸運(yùn)測(cè)試技術(shù)，并與復(fù)旦大學(xué)研究員張成課題組、中山大學(xué)教授嚴(yán)忠波課題組、南方科技大學(xué)教授盧海舟課題組和中科院上海技術(shù)物理研究所褚君浩院士團(tuán)隊(duì)合作，利用國(guó)內(nèi)外強(qiáng)磁場(chǎng)中心（如華中科技大學(xué)國(guó)家脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)中心、美國(guó)國(guó)家強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室等）的科學(xué)裝置，最終在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了對(duì)一維外爾費(fèi)米子的發(fā)現(xiàn)與探索。

研究人員利用強(qiáng)磁場(chǎng)紅外光譜技術(shù)，發(fā)現(xiàn)三維拓?fù)浣^緣體HfTe5在強(qiáng)磁場(chǎng)下發(fā)生了三次拓?fù)湎嘧儯捎谕負(fù)浣^緣體獨(dú)特的能帶反轉(zhuǎn)和零級(jí)朗道能級(jí)自旋極化特征，其零級(jí)朗道能帶在強(qiáng)磁場(chǎng)下發(fā)生交叉，同時(shí)引起拓?fù)湎嘧儯瑥亩纬伞耙痪S外爾模”，其色散和自旋織體類似于三維外爾半金屬。

一維外爾模的發(fā)現(xiàn)，為探索低維外爾費(fèi)米子的物性提供了平臺(tái)。該研究在給出一維外爾模紅外光譜學(xué)證據(jù)的同時(shí)，還探究了一維外爾費(fèi)米子獨(dú)特的電磁響應(yīng)。研究人員不僅在強(qiáng)磁場(chǎng)遠(yuǎn)紅外光譜上觀察到一維線性能帶的發(fā)散光學(xué)吸收，還在脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)輸運(yùn)測(cè)試中觀察到一維外爾費(fèi)米子手征異常導(dǎo)致的負(fù)磁阻現(xiàn)象。由朗道能帶所實(shí)現(xiàn)的外爾費(fèi)米子與來源于傳統(tǒng)布洛赫能帶的相比，具有嚴(yán)格一維、準(zhǔn)粒子參數(shù)高度可調(diào)、超高態(tài)密度等優(yōu)點(diǎn)。這些特征證實(shí)了外爾費(fèi)米子的一維特征和特殊的電磁響應(yīng)。

“該研究提供了一種在三維體系中，通過磁場(chǎng)約束等效降低維度，實(shí)現(xiàn)低維物理研究的方法。”袁翔說，“一方面找到了最低維外爾費(fèi)米子，另一方面對(duì)一維外爾費(fèi)米子的光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)開展了研究，對(duì)一維外爾費(fèi)米子的性質(zhì)有了一定的認(rèn)識(shí)。”

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41563-022-01364-5