11月2日，國(guó)際一流學(xué)術(shù)期刊《Nature Materials》（2014年度影響因子：36.503）在線(xiàn)發(fā)表了我校物質(zhì)學(xué)院光子科學(xué)與凝聚態(tài)物理部助理教授柳仲楷、郭艷峰，副教授顏丙海和特聘教授陳宇林等題為“Evolution of the Fermi surface of Weyl semimetals in the transition metal pnictide family”的研究論文，其中柳仲楷為并列第一作者（排名第一），陳宇林為通訊作者，上科大為第一單位。

這項(xiàng)研究成果為進(jìn)一步探索拓?fù)渫鉅柊虢饘俚姆欠参锢憩F(xiàn)象（比如磁場(chǎng)具有手性的電響應(yīng)、負(fù)磁阻、量子反常霍爾效應(yīng)等）以及實(shí)現(xiàn)新型電子器件應(yīng)用（源自其優(yōu)異輸運(yùn)性質(zhì)）等方面提供了重要的材料選擇和性能調(diào)控的物理基礎(chǔ)。

通常情況下，科學(xué)的不同領(lǐng)域研究著不同的問(wèn)題，這些問(wèn)題需要不一樣的概念和研究方法予以解決。但有時(shí)候，新的概念在某一研究領(lǐng)域提出后，卻能夠率先在另一領(lǐng)域也得到實(shí)現(xiàn)和推廣，并引導(dǎo)出新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。這樣的例子雖不常見(jiàn)，但它們的出現(xiàn)卻能充分展示出科學(xué)規(guī)律的普適、深刻和美麗。隨著科學(xué)的交叉融合，越來(lái)越多的重要發(fā)現(xiàn)將得益于此。

凝聚態(tài)物理近期的熱門(mén)領(lǐng)域，如關(guān)于狄拉克費(fèi)米子和Majorana費(fèi)米子的研究就是這樣的一個(gè)例子。這兩種基本粒子的模型在高能物理的研究中被首先提出，推廣到凝聚態(tài)物理后，在固體材料中發(fā)現(xiàn)了相應(yīng)的存在證據(jù)或跡象。無(wú)獨(dú)有偶，外爾(Weyl)費(fèi)米子的概念從高能物理(一度被認(rèn)為是中微子的模型）推廣到凝聚態(tài)物理的研究領(lǐng)域之后，引導(dǎo)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了另一個(gè)新的量子材料——三維拓?fù)渫鉅柊虢饘?。這種材料兼有“三維的石墨烯”及拓?fù)浣^緣體的優(yōu)良性質(zhì)：一方面，拓?fù)渫鉅柊虢饘僦械膶?dǎo)電體電子是“外爾費(fèi)米子”。這些電子具有手性，在動(dòng)量空間某些特殊點(diǎn)附近沿著三個(gè)動(dòng)量方向均具有線(xiàn)性的動(dòng)能—?jiǎng)恿可㈥P(guān)系。這些動(dòng)量空間的特殊點(diǎn)（外爾點(diǎn)）能夠被視作動(dòng)量空間的“磁單極子”；另一方面，拓?fù)渫鉅柊虢饘倬哂蟹瞧接雇負(fù)浔砻鎽B(tài)，他們構(gòu)成了一些奇異的且不閉合的費(fèi)米面結(jié)構(gòu)，即“費(fèi)米弧”。費(fèi)米弧起始及終結(jié)于具有不同手性的外爾點(diǎn)，如同磁力線(xiàn)連接起了具有不同極性的磁單極子并且永不閉合。

由于三維拓?fù)渫鉅柊虢饘僭隗w相和表面擁有了這些不平凡的電子結(jié)構(gòu)，所以使其具有許多奇異的物理現(xiàn)象，比如對(duì)于磁場(chǎng)具有手性的電響應(yīng)、負(fù)磁阻、量子反?；魻栃?yīng)、磁阻的奇特量子振蕩以及隧穿譜上的量子干涉等等。與此同時(shí)，在一些實(shí)驗(yàn)證實(shí)的三維拓?fù)渫鉅柊虢饘僦?，人們已?jīng)觀(guān)測(cè)到了非常優(yōu)異的電學(xué)輸運(yùn)性質(zhì)，比如超高載流子遷移率（如NbP中為5×10⁶厘米²/（伏·秒））、極端龐大磁阻現(xiàn)象（如NbP中為850,000%）等等。這些優(yōu)異的性質(zhì)不僅使三維拓?fù)渫鉅柊虢饘俪蔀榛A(chǔ)物理研究的理想材料，也使之成為新型電子學(xué)器件的重要候選材料。

要找到一個(gè)拓?fù)渫鉅柊虢饘伲钪苯拥氖侄尉褪恰敖o電子拍照”，即在材料的電子結(jié)構(gòu)中尋找前述的特征“費(fèi)米弧”結(jié)構(gòu)：這些非閉合的費(fèi)米面結(jié)構(gòu)與一般材料的閉合結(jié)構(gòu)相比具有拓?fù)渖系牟煌?。使用這個(gè)研究手段，我校物質(zhì)學(xué)院的研究者與其他科研機(jī)構(gòu)密切合作，今年早些時(shí)候已經(jīng)在拓?fù)渫鉅柊虢饘賂aAs的發(fā)現(xiàn)中取得了重要成果（Nature Physics，11，728（2015））。

在《Nature Materials》剛剛發(fā)表的工作中，我校物質(zhì)學(xué)院的研究者報(bào)道了三種拓?fù)渫鉅柊虢饘俸蜻x材料——屬于砷化鉭（TaAs）晶體同等結(jié)構(gòu)家族的TaAs、NbP（磷化鈮）和TaP（磷化鉭）——的電子結(jié)構(gòu)。研究者們使用了角分辨光電子能譜實(shí)驗(yàn)技術(shù)測(cè)量了這些電子結(jié)構(gòu)，并通過(guò)第一性原理計(jì)算進(jìn)行了理論推演。這些綜合性的研究手段實(shí)現(xiàn)了“給電子拍照”，在三種材料的“照片”中均能清楚地找到特征“費(fèi)米弧”結(jié)構(gòu)，從而證實(shí)了這些材料均為拓?fù)渫鉅柊虢饘?。此?xiàng)工作不僅給拓?fù)渫鉅柊虢饘偌易逶黾恿藘晌怀蓡T（NbP和TaP），更重要的是觀(guān)測(cè)到了“費(fèi)米弧”結(jié)構(gòu)會(huì)隨著自旋軌道耦合（原子中電子運(yùn)動(dòng)的一種相對(duì)論效應(yīng)，隨著元素不同而發(fā)生改變）強(qiáng)度發(fā)生的系統(tǒng)性演化?！斑@項(xiàng)發(fā)現(xiàn)證實(shí)了自旋軌道耦合效應(yīng)是實(shí)現(xiàn)和調(diào)制拓?fù)渫鉅柊虢饘偬赜须娮咏Y(jié)構(gòu)的重要物理機(jī)制”，柳仲楷這樣評(píng)述道，“它像是一個(gè)旋鈕，讓我們能夠有效調(diào)節(jié)拓?fù)渫鉅柊虢饘俨牧系奈锢硇再|(zhì)”。

此項(xiàng)工作主要參與者除了我校物質(zhì)學(xué)院的兩位助理教授、一位副教授、一位特聘教授之外，還有來(lái)自于英國(guó)牛津大學(xué)、清華大學(xué)以及德國(guó)馬普固體化學(xué)物理研究所（德累斯頓）等機(jī)構(gòu)的研究人員。

文章鏈接：Evolution of the Fermi surface of Weyl semimetals in the transition metal pnictide family

拓?fù)渫鉅柊虢饘俚摹凹易搴嫌啊薄?a) 外爾費(fèi)米子，外爾點(diǎn)與費(fèi)米弧的示意圖。(b) 理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)得的在三種材料中有規(guī)律變化的外爾點(diǎn)和費(fèi)米弧。(c) 外爾點(diǎn)的距離隨著自旋軌道耦合強(qiáng)度增加而變大。