中國科學家首次發現新型費米子，三重簡併費米子有何高深之處？

英國《自然》雜誌6月19日在線發表了中國科學院物理研究所的一項最新成果，該所科研團隊首次發現了突破傳統分類的新型費米子——三重簡併費米子，為固體材料中電子拓撲態研究開闢了新的方向。

三重簡併費米子（圖片來自網路）

該發現從理論預言、樣品製備、到實驗觀測的全過程，均由我國科學家獨立完成，這表明了我國在這一方面的研究處於世界領先的水平。這一研究成果對促進人們認識電子拓撲物態，發現新奇物理現象，開發新型電子器件，以及深入理解基本粒子性質都具有重要的意義。

圖（a）四重、三重和兩重簡併點的能帶示意圖，在這些簡併點附近的准粒子分別是狄拉克費米子、三重簡併的新費米子和外爾費米子。紅色或藍色的直線代表非簡併的能帶，紅藍交替的直線代表兩重簡併的能帶。

圖（b）MoP的晶體結構。

圖（c-e）實驗測量的布里淵區三個方向C1、C2、C3的能帶色散。

圖（f-h）相應的能帶計算結果。

圖（i）C1、C2、C3在布里淵區中的位置，其中C1和C3穿過三重簡併點（紅色圓點）。圖（j）從實驗中提取出的能帶色散構成的三維圖

（圖片來自中國物理協會期刊網）

那麼什麼是三重簡併費米子呢？要弄清楚這個概念，首先得知道兩個基本概念，一個是准粒子，另一個是費米子。

從量子力學上講，准粒子實際上是一種量子能，它存在於一個晶體點陣或其它相互作用的粒子系統中。基於它具有可量度的空間坐標參數和動量值，某些行為表現的像一個粒子一樣，因此人們通常稱其為準粒子，即有點像粒子，但本質卻不是。准粒子通常是更基本的粒子之間相互作用的表現，引入准粒子的概念是為了方便理論上對實驗的描述。

量子能(圖片來自網路)

費米子的概念是在標準模型里給出的，在標準模型里，費米子是指具有半奇數自旋的粒子，所謂的半奇數是指1/2, 3/2, 5/2……。一般說來由奇數個夸克或輕子組成的複合粒子都是費米子。所有夸克與輕子，所有重子以及很多種原子與原子核都是費米子。和費米子相對應的概念是玻色子，是指是具有整數自旋的粒子。

奇數夸克粒子屬於費米子（圖片來自網路）

現有的費米子有三種：不帶質量的外爾費米子（Weyl fermion）、帶質量的狄拉克費米子（Dirac fermions）、粒子與反粒子相同的馬約拉納費米子。大多數標準模型中的費米子都是狄拉克費米子，很少數的部分屬於外爾費米子和馬約拉納費米子。其中狄拉克費米子的能級簡併是兩重的，外爾費米子的能級簡併是四重的。而馬約拉納費米子的能級簡併不可能是三重的。因此，此次發現的具有三重簡併費米子不屬於現有的三種類型的費米子。

狄拉克費米子（圖片來自網路）

這裡的三重簡併指的是在能量相同的點存在三個不同的能級，這些能級的雖然能量一樣，但是自旋數卻不一樣，因此屬於不同的能級。就好比在同一樓層里住了三個人，這三個人雖然屬於同一樓層，但是三個人的卻是三個個體，而不是一個。

三重簡併費米子（圖片來自網路）

通過以上的介紹，大家應該對這個三重簡併的新型費米子有了大概的了解了吧。

總結一下，此次中國科學院物理研究所發現的三重簡併的費米子指的是一種在晶體中新發現的准粒子，這種准粒子在同一個能級態同時存在三種半奇數自旋數，在標準模型的定義里屬於具有三重簡併的費米子。由於這種三重簡併的費米子不屬於狄拉克費米子，外爾費米子或者馬約拉納費米子，因此它是一種新型的費米子。

這次發現很重要，檢驗了理論的正確性，並且在相關領域開拓了新的研究方向。但是還談不上是諾獎級別的，這是因為準粒子的重要性不及粒子，只有當真正發現的是一種新型的粒子時，才算是諾獎級別的。例如幾年前發現的Higgs 玻色子就是一種新型的粒子，相關的科學家也獲得了諾貝爾獎。

出品：科普中國

製作：陳星

監製：中國科學院計算機網路信息中心

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