外尔半金属再获殊荣, 物理所翁红明荣获"仁科芳雄亚洲奖"

2017 年 8 月 15 日 知社学术圈 知社

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2017年8月13日，日本仁科纪念财团在其网站公布第5届“仁科芳雄亚洲奖”获奖者为中科院物理所翁红明研究员，旨在表彰他为发现外尔半金属作出的理论贡献。

翁红明研究员近年来在拓扑物态研究，尤其是理论预言拓扑材料方面取得了一系列具有世界影响力的突破性研究成果。2014年底，他与方忠、戴希研究员等合作者一起，成功预言了首个外尔半金属TaAs家族材料，并与实验合作证实了其中手性电子态——外尔费米子准粒子的存在。这是自1929年外尔费米子被提出以来人们首次观测到它的行为。

戴希为翁红明颁发“2015中国十大新锐科技人物”奖杯

关于外尔半金属

固体材料中有无数的电子，其整体运动状态决定了材料的许多物性，譬如是否导电，是否有磁性等。得益于量子力学理论和现代电子计算机的飞速发展，人们可以通过数值计算得知电子的量子力学运动状态，从而能够理解、预言并调控材料的性质和性能，这也是当今电子、信息等产业的科学基础之一。但近十年来，人们发现固体中的电子除了具有电荷、轨道和自旋等局域自由度外，还具有全局自由度，即拓扑特性。这一全新维度的认知和建立，打开了人们认识世界的另一扇大门。这一基础理论的突破和发展，催生了当前凝聚态物理领域的前沿热点——拓扑绝缘体，拓扑超导和拓扑半金属等。

首先，让我们来了解下外尔费米子，以及外尔半金属材料的特征。以下内容取自中科院物理所戴希研究员对相关工作的介绍。

在狄拉克提出的描写电子运动的量子力学方程中，电子可以看成是一个个小陀螺，其自转轴取向可以沿着整体运动方向，也可以与之相反，这就定义了狄拉克费米子的“手性”，前一类粒子的自转和整体运动方向之间满足右手法则，而后一类则满足左手法则。每一类具有明确“手性”的费米子就被称为外尔费米子，它们的运动满足外尔方程，其自由度恰好是狄拉克方程的一半。

在真空中的电子，由于存在着时间反演和空间反演对称，处于“左手”和“右手”状态的几率总是相等的。如果在某一个特殊体系中，电子只能处在特定的“左手”或者“右手”状态，那时候狄拉克就会从棺材里爬出来，告诉你这样的体系真的是酷毙了。为什么呢？因为这时候会发生“手性反常”，也就是说在相互平行的磁场和电场作用下，具有特定“手性”的电子会被源源不断地产生出来。这当然看起来挺美。那么能否找到某种特殊的晶体，使得它的电子态只能具有某种特定的“手性”呢？两位理论物理学家Nielsen和Ninomiya早在80年代就从数学上给出了证明，即这是不可能的，任何在周期晶格中运动的粒子，相反手性的外尔费米子态总是成对出现的。这个结论是数学上的严格结果，称为“No－go”定理。

看到这里，永远追求新奇物质态的科学家们一定会失望了，但是，虽然外尔费米子总是成对出现，它们在动量空间却可以被分开。Nielsen和Ninomiya进一步指出，在某类晶体中，如果无简并的能带在动量空间某处相交，而交点（外尔点）的能量又恰好在费米能级附近，那么这类晶体中电子的低能运动就可以用外尔方程来描写，也可以说在这类晶体中出现了具有某种“手性”的外尔费米子，相应的材料就被称为是外尔半金属。在这类材料中，手性相反的外尔点成对出现在不同的k点，在相互平行的电场和磁场驱动下，电子会在“左手”外尔点处不断消失，而在“右手”外尔点处不断涌现，从而形成一种电磁场共同驱动的，只能沿着磁场方向发生的特殊电子输运模式。这种输运方式的最终后果，就是当电流和磁场方向平行时导致很大的负磁阻，这可以看成是“手性”反常在凝聚态物质中的体现。

当然，Nielsen和Ninomiya只是证明了外尔费米子态在晶体中是可能出现的，要找出具体实现它的材料就不那么容易了。理论上提出的第一个外尔费米子材料，是具有烧绿石结构的Y2Ir2O7材料，发现这个材料的主要是我国南京大学的万贤刚、加大戴维斯分校的Sergey Savrasov以及来自伯克利的Ashivin。此后，戴希小组也很快发现HgCr2Se4材料也是这样的外尔半金属。这两种材料提出后，马上在国际上掀起了研究外尔半金属材料物理性质的研究热潮，成为了近几年凝聚态物理研究的一个热点。

除了前面重点介绍的手性反常以外，外尔半金属还有一些其他的奇特物理性质。比如说你可以把贝里曲率看作动量空间的“磁场”，那么外尔点就是一个“磁单极子”，这一点是在2003年提出的，是方忠的成名作之一。此外，外尔半金属还具有非常奇葩的表面态特性，即由表面态形成的费米面是不连续的一系列线段，称为费米弧（Fermi Arc）。这些费米弧连接着体内外尔点在表面上的投影点，是外尔半金属的另一个重要特征。

但是，对于实验研究来说，前面提到的两类材料有一个很要命的缺点，即都是磁性材料，总不可避免地存在磁畴，从而使得许多外尔半金属的重要特性，如刚才介绍的手性反常和费米弧等，很难在实验上被观测到。因此发现非磁性的外尔半金属材料，成为该领域发展的关键。

翁红明

2015年，戴希所在的物理所理论室T03组和普林斯顿大学Bernevig教授等人合作，一口气找到了四种非磁性的外尔半金属材料，TaAs、TaP、NbAs和NbP（Phys. Rev. X 5, 011029，2015）。工作中，青年人才翁红明发挥了关键性的作用，令人倍感欣慰。文章在Arxiv网上公布以后，马上引起了许多实验研究组的兴趣，很快物理所的陈根富小组和北京大学的贾爽小组就几乎同时在TaAs样品中观测到了手性反常的迹象；物理所的丁洪小组、牛津大学陈宇林小组和普林斯顿哈桑小组等也都在各自的样品中直接观测到了电子结构中的外尔点以及表面上的费米弧。

关于翁红明

翁红明来自江苏泰兴的农民家庭，1996年进入南京大学物理系读书，2005年获得了南京大学物理学系理论物理博士学位。毕业后，他曾到东北大学金属材料研究所从事博士后研究，主要研究各种材料的导电性质。2014年获国家优秀青年基金资助。作为第一作者，在PRX发表论文，通过第一性原理计算，预测TaAs晶体等同结构家族材料是外尔半金属，立即受到国内外同行的关注，国际上众多实验小组都投入到了竞赛般的实验验证工作中，并最终发现外尔费米子。这一工作，入选英国物理学会Physics World 2015年度十大物理突破和美国物理学会2015八大标志性进展。入选科技部“2015年度中国十大科技进展之一”，两院院士评选的“2015年度中国十大科技新闻之一”，以及“2015中国十大新锐科技人物”。

2015中国新锐科技人物合影

关于“仁科芳雄亚洲奖”

仁科纪念财团是纪念日本近代物理之父仁科芳雄而设立的基金会，具有重要的影响力，其颁发的“仁科芳雄奖”是日本历史最悠久的科学奖项。截至2015年，获得诺贝尔物理学奖的11人当中，就有6人是该奖得主。自2013年起，该基金会设立“仁科芳雄亚洲奖”，以奖励日本之外的其他亚洲国家在物理学研究中做出突出贡献的青年科学家。该奖每年颁发一次，每次奖励一名，获博士学位未满15年的青年物理学家可以被提名推荐。

参考资料

中科院物理所新闻

戴希《Weyl(外尔)半金属的故事》