你聽說過費米子嗎？它開辟了電子拓扑態研究新方向

據《科技日報》報道，今年6月，中國科學院物理研究所的科研團隊在拓扑物態研究領域取得的重大突破，我國科學家首次觀測到三重簡並費米子，為固體材料中電子拓扑態研究開辟了新的方向。那麼，什麼是費米子？新型費米子有什麼特殊之處？研究它又有什麼意義呢？

固體材料中實驗發現的三種費米子：四重簡並的狄拉克費米子（左）、兩重簡並的外爾費米子（中）、三重簡並的新型費米子（右） （圖片來源：中國經濟網）

什麼是費米子？

據中國經濟網報道，組成宇宙的基本粒子可以根據自旋特征劃分成兩類，一類就是費米子，另一類為玻色子。在基本粒子家族中，費米子是構成物質的原材料，而玻色子則主要傳遞作用力。現有的理論認為，宇宙中存在三種類型的費米子：狄拉克費米子、外爾費米子和馬約拉納費米子。我國科學家新發現的費米子是一種三重簡並費米子，是三重簡並電子態的准粒子。而准粒子是指固體中眾多的電子受到周期性晶格和電子間相互作用的影響而表現出不同於單個自由電子的集體行為，可以看作是一個假想的新粒子。不同固體中電子的准粒子可以表現出不同的粒子行為，相當於基本粒子在固體中的“影子”。

新型費米子有什麼特別之處？

據《科技日報》報道，作為一種三重簡並費米子，新型費米子既不同於四重簡並的狄拉克費米子，也不同於兩重簡並的外爾費米子，理論預言其可能存在於一類具有碳化鎢晶體結構的材料中。

中青在線介紹，中科院物理所在碳化鎢中觀測到與狄拉克半金屬和外爾半金屬顯著不同的方向依賴輸運行為，隨后德國馬克斯-普朗克研究所的科學家在MoP中觀測到極低電阻行為，這些都有可能是這種新型費米子的獨特表現。

研究它有哪些意義？

這項研究發現能為我們的生產生活提供哪些幫助呢？

首先，據《經濟日報》報道，三重簡並費米子這一新型粒子的發現對促進人們尋找新奇物理現象以及深入理解基本粒子性質都有重要啟示。

其次，三重簡並費米子的研究能夠促進人們認識電子拓扑物態、開發新型電子器件等。據《科技日報》報道，對材料拓扑性質的研究，可以發現並調控如絕緣體、導體、超導體等各種復合的物相，例如，拓扑絕緣體內部不導電，但是它的表面卻導電，而且能耗極低﹔拓扑超導材料表面是普通金屬，內部卻是超導體。這些神奇的材料都有可能應用於未來的電子器件之中，對未來的電子學研究以及量子計算機的研發有不可忽視的作用。（張茜）

本文由中科院物理所副研究員羅會仟進行科學性把關，其主要研究領域為超導、電子、電磁、半導體、自動化、中子散射等。