里程碑|上海科大陈宇林团队Science发文解决全球百年难题

　　作为一类重要的费米子，Weyl费米子最早是由德国物理学家Hermann Weyl于1929年提出的，用以描述高能物理中遵循外尔方程的一种无质量费米子。在此后的探索中，人们一度认为这种漂亮的费米子纯粹是一个物理概念，在自然界中并不存在。Weyl半金属是结晶固体，具有新兴的相对论性Weyl费米子，并在电子结构中具有特征性的表面费米弧。 具有逆转时间对称性的Weyl半金属到目前还没有被发现。

　　2019年9月20日，上海科技大学陈宇林团队在Science 在线发表题为"Magnetic Weyl semimetal phase in a Kagomé crystal"的研究论文，该研究使用角度分辨光发射光谱，发现铁磁晶体Co3Sn2S2的电子结构，并发现了其特征表面费米弧和整个Weyl点的线性体带色散。 这些结果将Co3Sn2S2确立为磁性Weyl半金属，可以用作实现诸如手性磁效应，异常大的异常霍尔效应和量子异常霍尔效应等现象的平台。

　　另外，普林斯顿大学Ilya Belopolski等人及以色列魏茨曼科学研究所Noam Morali等人分别在Science 在线发表题为"Discovery of topological Weyl fermion lines and drumhead surface states in a room temperature magnet"及"Fermi-arc diversity on surface terminations of the magnetic Weyl semimetal Co3Sn2S2"的研究论文，这3项研究背靠背的在铁磁性Co3Sn2S2/Co2MnGa高质量晶体中清晰地观察到了体态Weyl节点/节线和表面态费米弧，首次在铁磁性半金属中观测到了Weyl费米子。这一理论发现具有非常重要的意义。不仅是因为人们有可能在固体材料中找到那个梦寐以求的神秘粒子，更因为在固体材料中这种费米子将具有零质量、高迁移率、受能带的拓扑稳定性保护等基本特征，在未来量子计算、量子信息传递方面尤其表现出强大优势。

　　最后，加利福尼亚大学戴维斯分校物理系Eduardo H. da Silva Neto在Science 在线分别题为"Weyling away time-reversal symmetry"的点评文章，指出识别断裂的TRS Weyl状态也为进一步研究更奇特的现象铺平了道路。 例如，在没有外部磁场的情况下产生霍尔电压的量子异常霍尔状态允许无损耗的边沿电流，这将使下一代电子和自旋电子技术成为可能。

　　在过去的十年中，凝聚态物理学取得了令人兴奋的进步：相对论现象可以在易于获得的材料中进行模拟，拓扑原理可以用于发现具有奇异物理性质的材料。

　　作为一类重要的费米子，Weyl费米子最早是由德国物理学家Hermann Weyl于1929年提出的，用以描述高能物理中遵循外尔方程的一种无质量费米子。在此后的探索中，人们一度认为这种漂亮的费米子纯粹是一个物理概念，在自然界中并不存在。Weyl半金属是结晶固体，具有新兴的相对论性Weyl费米子，并在电子结构中具有特征性的表面费米弧。 具有逆转时间对称性的Weyl半金属到目前还没有被发现。

　　Weyl半金属（WSM），它们以块状和表面费米弧（SFA）态存在新兴的Weyl费米子，它们连接相反手性的Weyl点。这会引起不寻常的物理现象，甚至会激发理论上的进步。在固体中，WSM可以存在于破坏时间反转对称性（TRS），反演对称性（IS）或同时破坏两者的晶体。与破坏IS的WSM相比，破坏TRS的WSM为磁场，电子相关性和拓扑顺序之间的相互作用提供了一个场所，这可以产生丰富的外来量子态，从量子异常霍尔（QAH）效应到轴绝缘子。

　　Liu等人使用角度分辨光发射光谱，发现铁磁晶体Co3Sn2S2的电子结构，并发现了其特征表面费米弧和整个Weyl点的线性体带色散。 这些结果将Co3Sn2S2确立为磁性Weyl半金属，可以用作实现诸如手性磁效应，异常大的异常霍尔效应和量子异常霍尔效应等现象的平台。

　　另外，普林斯顿大学Ilya Belopolski等人及以色列魏茨曼科学研究所Noam Morali等人等到了类似的研究结果，这3项研究在铁磁性Co3Sn2S2/Co2MnGa高质量晶体中清晰地观察到了体态外尔节点/节线和表面态费米弧，首次在铁磁性半金属中观测到了Weyl费米子。这一理论发现具有非常重要的意义。不仅是因为人们有可能在固体材料中找到那个梦寐以求的神秘粒子，更因为在固体材料中这种费米子将具有零质量、高迁移率、受能带的拓扑稳定性保护等基本特征，在未来量子计算、量子信息传递方面尤其表现出强大优势。

　　参考消息：

　　https://science.sciencemag.org/content/365/6459/1282

　　https://science.sciencemag.org/content/365/6459/1278

　　https://science.sciencemag.org/content/365/6459/1286

　　https://science.sciencemag.org/content/365/6459/1248