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艾德思:中国人民大学与nature的初次相遇

论文润色 | 2019/06/21 10:20:03  | 258 次浏览

手性与镜像不一致的物体的几何特性 - 在自然界已经被发现,例如,在分子,晶体,星系和生命形式中. 在量子场论中,无质量粒子的手性特征由其自旋和运动方向是平行还是反平行来定义. 尽管90年前预测了无质量手性费米子 - Weyl 费米子,但它们作为基本粒子的存在尚未经过实验证实.然而,他们的类似物已被观察为凝聚态物质系统中的准粒子.除了Weyl费米子之外, 理论家还提出了许多非常规(即超出标准模型)凝聚态物质系统中的手性费米子,但它们存在的直接实验证据仍然存在不足.

2019年3月20日,中国人民大学物理学系雷和畅,中科院物理所孙煜杰及钱天共同通讯在 Nature 在线发表题为" Observation of unconventional chiral fermions with long Fermi arcs in CoSi '的研究文章, 该研究通过使用角分辨光电子能谱,揭示了两种类型的非常规手性费米子 - 自旋-1和电荷-2费米子 - 在CoSi中费米能级附近的带交叉点.

这些手性费米子在(001)表面上的投影通过穿过整个表面布里渊区的巨型费米弧连接.这些手性费米子通过晶体对称,在大量布里渊区域的中心或角落处实施,使得CoSi成为仅具有一对手性节点的系统,其在动量空间中具有大的间隔并且具有极长的表面费米弧,与Weyl半金属形成鲜明对比. 该研究结果证实了非常规手性费米子的存在,并为探索与手性费米子相关的物理性质提供了平台.

在高能物理学中,标准模型在Poincaré群的基础上预测了 Universe -Dirac,Weyl和Majorana费米子中的三种类型的费米子粒子. 凝聚态物质系统可以在拓扑节点处实现各种费米子准粒子(也就是说,强大的带状交叉点可以避免被非平凡带拓扑分开), 在高能物理学中可能有也可能没有类似物 .

CoSi的晶体结构和计算电子结构

到目前为止,角分辨光电子能谱(ARPES)实验已经在拓扑节点验证了三种类型的费米子: 双重简并Weyl节点,四倍简并狄拉克节点和三倍退化节点 .对于狄拉克节点,陈数为零,对于三倍简并节点,陈数未定义.只有Weyl节点带有非零Chern数,C =±1.非零陈数导致节点处的Weyl费米子激发具有手性,并且需要存在奇异的螺旋面状态,其中费米弧作为它们的等能量轮廓.

在(111)表面上测量费米表面和带分散

拓扑节点可以分为偶然节点或必要节点. 三种类型的实验识别节点都是偶然的,因为它们需要频带反转,并且它们通过某些同态晶体对称或非平凡拓扑来稳定.相比之下, 频带理论已经展示了几种类型的具有多频带交叉的基本节点,其不需要频带反转.

在(001)表面上用软X射线测量费米表面和带分散

理论家们提出了具有非零Chern数的基本节点上的外来手性费米子,例如具有三倍简并性的自旋-1节点,电荷-2狄拉克节点和具有四倍简并性的自旋-3/2 Rarita-Schwinger-Weyl节点和双自旋-1节点具有六倍简并性.与Weyl费米子不同,这些手性费米子在高能物理学中没有类似物,因此是非常规的(即超出标准模型). 尽管第一原理计算表明这些非常规手性费米子存在于许多材料中,但仍缺乏实验证据.

用(001)表面上的VUV光测量表面费米弧

在这项工作中, 研究人员通过系统ARPES测量研究其体积和表面状态的电子能带结构,通过实验验证了过渡金属硅化物CoSi中手性spin-1费米子和电荷-2费米子的存在.该工作开创了理论预测的许多非传统手性费米子的探索,并可能为研究手性费米子的奇异物理性质提供更广阔的空间.

 

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