科学家首次在实验中发现一维外尔费米子

来源：中国科学报

本报讯 近日，华东师范大学研究员袁翔课题组和合作者在低维准粒子激发研究中取得重要进展。联合团队通过强磁场在三维拓扑绝缘体五碲化铪（HfTe5）中，发现了一维外尔费米子，并探索了其特殊的电磁响应。9月30日，相关成果在线发表于《自然—材料》。

“该研究首次在三维体系中通过极强的磁场找到一维外尔费米子。”袁翔告诉《中国科学报》，“外尔费米子对光和电有着特殊的响应，这在现有的三维外尔费米子体系中已得到验证。我们通过强磁场红外光谱技术和脉冲强磁场电学测量技术，观察到了上述响应的一维‘版本’。”

通过磁场约束三维体系中电子的行为、等效降低维度，为在实验上探测一维外尔费米子性质提供了一种可能。相关实验需要在强磁场（约是地球磁场的70万倍）、极低温（零下270摄氏度）等极端条件下开展。为此，研究团队在实验室内搭建多套低温强磁场系统，并与相应的光学、电学测试系统耦合进行联合测试。

研究人员利用强磁场红外光谱技术，发现三维拓扑绝缘体HfTe5在强磁场下发生了三次拓扑相变。由于拓扑绝缘体独特的能带反转和零级朗道能级自旋极化特征，其零级朗道能带在强磁场下发生交叉，同时引起拓扑相变，从而形成“一维外尔模”，其色散和自旋织体类似于三维外尔半金属。

一维外尔模的发现，为探索低维外尔费米子的物性提供了平台。该研究在给出一维外尔模红外光谱学证据的同时，还探究了一维外尔费米子独特的电磁响应。研究人员不仅在强磁场远红外光谱上观察到一维线性能带的发散光学吸收，还在脉冲强磁场输运测试中观察到一维外尔费米子手征异常导致的负磁阻现象。由朗道能带所实现的外尔费米子与来源于传统布洛赫能带相比，具有严格一维、准粒子参数高度可调、超高态密度等优点。这些特征证实了外尔费米子的一维特征和特殊的电磁响应。（张双虎 黄辛）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41563-022-01364-5

《中国科学报》 (2022-09-30 第1版要闻)