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我国科学家首次发现新型费米子

来源:光明日报 作者:齐芳 2017-06-21 10:39:28
  组成宇宙的基本粒子可分为波色子和费米子,现有的理论认为宇宙中可能存在三种类型的费米子:狄拉克费米子、外尔费米子和马约拉纳费米子。但我国科学家首次发现了一种突破传统分类的新型费米子——三重简并费米子,为人们认识电子拓扑物态、发现新奇物理现象、开发新型电子器件,以及深入理解基本粒子性质提供了新思路。

  这一研究从理论预言、样品制备,到实验观测均由中国科学院物理研究所的科学家独立完成,研究成果6月19日在线发表于国际权威学术期刊《自然》上。

  基本粒子的研究,一直是现代物理学的重点之一。虽然传统理论认为费米子只有三种类型,但科学家们猜测,当电子被“封闭”于固体材料中时,因不再具有时空连续性,很可能会显现出不同的性质,就有可能发现新型费米子。寻找新型费米子是近年来拓扑物态领域一个挑战性的前沿科学问题,也是该领域国际竞争的焦点之一。

  中国物理学家一直在这个领域持续发力,并保持领先。2016年4月,中国科学院物理研究所翁红明、方辰、戴希、方忠预言在一类具有碳化钨晶体结构的材料中存在三重简并的电子态,其准粒子就是一种新型费米子——三重简并费米子。此后,该研究所的实验物理学家石友国研究员、丁洪研究员、钱天副研究员等迅速制备出实验样品,并在上海光源等进行实验测量,发现结果与理论计算高度吻合,首次实验发现了这种新型费米子。

  同时,理论物理学家的研究还预测,三重简并费米子态与传统费米子态有不同的性质——对外加磁场的方向敏感,使得含有它的母体材料具有磁场方向依赖的输运性质。而该研究所陈根富研究组、德国马普研究所的科学家都在实验中观测到了极有可能与该性质相关的现象。

  科学家们介绍,这种研究方法并不是直接发现新粒子,而只是一种准粒子——基本粒子在固体中的“影子”,还需要在高能物理或粒子物理实验中做进一步验证。但“固体宇宙”中新型粒子的研究刚刚开始,中国科学家已经做好准备。
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