本文与 苏黎世联邦理工学院合作发表。
研究人员通过研究一种早已为人所知的金属材料的特殊性质，偶然发现了一种新粒子。它与数学家赫尔曼·外尔（Hermann Weyl）近九十年前预言的所谓外尔费米子有关。外尔曾忽略了这种粒子，而它可能在电子学中具有有趣的应用。
与传统外尔费米子（左）不同，Type-2外尔费米子（右）的能谱不对称。这导致Type-2外尔费米子的电磁性质随方向而异。（图片来源：Soluyanov et al. Nature 2015）
1928年秋天，苏黎世联邦理工学院教授赫尔曼·外尔前往普林斯顿大学担任为期一年的客座教授时，量子物理学家保罗·狄拉克刚刚发表了他著名的电子公式。该公式描述了所谓费米子的性质，即自旋为半整数的量子粒子，其预言（包括反物质的存在）开启了现代粒子物理学的时代。外尔意识到，原则上，狄拉克方程也允许无质量粒子的解。1929年，他发表了一篇论文，描述了自旋为半整数的无质量粒子。这些粒子后来被称为“外尔费米子”。
如今，苏黎世联邦理工学院的物理学家与普林斯顿大学及中国科学院的研究人员合作，发现了一种迄今未知的粒子。这位杰出的前辈在计算中忽略了这种粒子，此后近九十年间它一直未被探测到。他们将其命名为“Type-2外尔费米子”。
寻找新的材料特性
研究人员在试图理解金属二碲化钨（WTe2）的奇特物理性质时，偶然发现了这种新型粒子。“我们原本希望找到特别是所谓‘拓扑’的性质，它们能使这种金属材料中的某些量子态更能抵抗扰动”，苏黎世联邦理工学院计算物理小组的研究员Alexey Soluyanov解释道。
为了模拟这些金属晶体的物理性质，研究人员在瑞士国家超级计算中心（ CSCS ）和中国科学院的超级计算机上进行了200,000小时的计算。研究人员花了数周时间进行详细推导和计算，才得出结论：他们一定发现了某种全新的东西——二碲化钨晶体内部必定存在一种迄今未知的费米子类型，即Type-2外尔费米子。
先在理论上提出，后经实验探测到
最初，“普通”外尔费米子同样只存在于理论之中。长期以来，人们认为中微子可能是外尔费米子，但后来研究人员发现中微子具有质量，尽管极小（今年的诺贝尔物理学奖正是因这一发现而颁发）。尽管如此，物理学家仍然相信，外尔费米子可以作为准粒子（即许多电子与晶体中原子核相互作用形成的集体态）出现在所谓的半金属中。
最终，今年7月，无质量费米子在普林斯顿（赫尔曼·外尔曾在理论上预言它们的地方）以及北京被同时通过实验探测到。在一块砷化钽晶体中，研究人员发现了具有外尔费米子所预期性质的准粒子。它们没有质量，这意味着，除其他外，它们可以极快地移动，而不会被晶体中的障碍物干扰。科学家们已经在推测，这可能为电子器件开辟全新的可能性。
不应存在的粒子
如今在理论上发现的Type-2外尔费米子，在一个关键方面不同于传统外尔费米子：它们本来根本不应该存在。至少在如赫尔曼·外尔那样假定费米子必须遵循阿尔伯特·爱因斯坦狭义相对论规则、因而必须保持所谓洛伦兹对称性的前提下是如此。“在自然界中”，粒子确实必须遵守这些规则。然而，在晶体这一人造宇宙中，洛伦兹对称性可以被打破，这使得电子可能的能量态与形成普通外尔费米子的能量态明显不同。
这些特殊的能量态反过来可能赋予含有Type-2外尔费米子的材料一些奇特且可能有用的性质，例如在磁场影响下仅能沿某些方向导电。这些性质能否在实践中被证明可行，仍有待观察。“目前，这种新的外尔费米子只是一种物理上的奇特现象”，Soluyanov承认，“但它非常令人兴奋，而且肯定具有应用潜力”。无论如何，科学家们经过数十年后，终于完成了赫尔曼·外尔的研究。
参考文献
Soluyanov AA、Gresch D、Wang Z、Wu QS、Troyer M、Dai X、Bernevig BA：Type II Weyl Semimetals。Nature，2015年11月25日，doi: 10.1038/nature15768
发表本文并不意味着世界经济论坛认同其中观点。
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作者：Oliver Morsch是苏黎世联邦理工学院的撰稿人。
图片：一名技术专员正在查看幻灯片。EALTH-SEQUENCING/REUTERS/Jim Young.
