最近，物理学顶级刊物《自然·物理》在线发表了北京大学、南方科技大学等机构的学者在拓扑半金属研究的最新进展，他们首次在凝聚态物理系统中观测到Weyl费米子的湮灭。

该项创新工作此次发表文章的三位共同通讯作者分别为北京大学量子材料科学中心贾爽教授，南方科技大学物理系和量子科学与工程研究所副教授卢海舟，武汉国家脉冲强磁场科学中心王俊峰教授。第一作者为北京大学博士生张成龙。主要合作者还包括普林斯顿大学徐苏扬博士和Hasan教授，北京大学谢心澄院士、张弛研究员，苏黎世大学Neupert教授以及新加坡国立大学林新教授等。

物理学研究的前沿之一是在凝聚态体系中寻找Dirac方程所描述的一些基本粒子。Dirac方程是具有狭义相对论协变性的波动方程，最早由英国物理学家Paul M. Dirac 于1928年构造，用于描述自旋为1/2的费米子，典型代表如电子。Dirac方程成功地预言了正电子的存在, 并于1932年被实验证实。Dirac方程有不同的等价表示，比如Dirac、Majorana和Weyl表示等，其对应的准粒子可以分别在不同的凝聚态体系中被实现，如石墨烯 (2010诺贝尔物理奖) 、拓扑绝缘体表面可以存在二维无质量的Dirac费米子和非常规超导体的边界可能存在Majorana费米子等。特别是，Dirac方程的三维无质量极限，对应Weyl费米子，可以在最新发现的拓扑半金属中被实现。
图一. Weyl半金属朗道能级能隙打开与Weyl点湮灭的物理图像 (原文Figure 2)

质量是基本粒子的一个属性，可以调节粒子的运动速度。例如，光子没有质量，所以在任何参考系内的运动光速都是常数。Weyl费米子亦没有质量且必须成对出现，每对中的两个Weyl费米子具有相反的手征 (chirality)。通过耦合成对出现的两个Weyl费米子，可以赋予它们质量，其手征属性也随之消失。某种意义上说，这相当于Weyl费米子被湮灭了 (图一)。
图二. 34.4T出现的反常霍尔电阻 (原文Figure 3)

北京大学量子材料科学中心贾爽实验组成功生长出了高质量磷化钽 (TaP) 拓扑半金属样品，并利用武汉国家脉冲强磁场科学中心的高磁场条件进行了系统研究。他们发现，当磁场达到34.4特斯拉 (约为地磁场的1百万倍) 时，超低温 (1.5-20 K) 电子量子输运表现出了一个反常的霍尔电阻信号，从而第一次发现了在磁场作用下Weyl 费米子湮灭的实验证据 （图二）。
图三. 理论比较拓扑Weyl半金属和普通半金属的最低朗道能级行为  (原文Figure 6)

我校物理系和量子科学与工程研究所副教授卢海舟与课题组成员 (分别为第三作者研究助理教授王春明和第六作者博士后杜宗正) 通过系统的计算和数据分析，证明了这个反常信号与Weyl费米子在强磁场下最低朗道能带打开能隙有关（图二和图三）。在凝聚态物理中，能谱打开能隙和狄拉克型方程描述的准粒子获得质量是等价的，因而从理论上支持了Weyl费米子湮灭的结论。

作为南方科技大学量子科学与工程研究所核心成员之一，卢海舟一直从事基于量子场论的量子输运等物理性质的理论研究，系统发展了的拓扑半金属的有效模型与量子输运理论 [综述文章 Front. Phys. 12, 127201 (2017)], 近年来取得多项崭新的研究成果，其中多篇理论工作对实验数据分析起到了重要的支持作用 [如 Phys. Rev. B 92, 045203 (2015); Phys. Rev. Lett. 117, 077201 (2016) 等]。卢海舟课题组近年来获得了包括广东省创新创业团队、广东省建设高水平理工大学专项经费、科技部重点研发计划、国家自然科学基金，中组部、等多项国家和地区基金项目的大力支持。该工作中相关的数值计算在南方科技大学高性能计算平台上完成。

《自然·物理》是英国自然出版集团《自然》杂志的物理学分册，是物理学最高等级的专业期刊，每年发表文章数目不超过200篇，目前的影响因子为22.806。

原文链接：https://www.nature.com/nphys/journal/vaop/ncurrent/full/nphys4183.html

供稿：物理系