近期，科技部公布了“2015年度中國(guó)科學(xué)十大進(jìn)展”遴選結(jié)果，科研成果“理論預(yù)言并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證外爾半金屬的存在”入選。我校物質(zhì)學(xué)院特聘教授陳宇林研究組為獨(dú)立完成團(tuán)隊(duì)之一（其他獨(dú)立完成團(tuán)隊(duì)包括中科院物理研究所方忠/翁紅明、陳根富、丁洪/錢(qián)天研究組），物質(zhì)學(xué)院助理教授柳仲楷、助理教授郭艷峰、副教授顏丙海等也參與了此項(xiàng)工作。該十大進(jìn)展歷經(jīng)國(guó)內(nèi)5家科學(xué)期刊編輯部推薦256項(xiàng)進(jìn)展、四大專(zhuān)家組初評(píng)出30項(xiàng)、院士專(zhuān)家最終遴選出10項(xiàng)等三個(gè)環(huán)節(jié)產(chǎn)生。

2014年，陳宇林研究組首次從實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)了一種新的量子材料——拓?fù)涞依税虢饘伲⊿cience, 343, 864 (2014)），該發(fā)現(xiàn)迅速引發(fā)了國(guó)際上對(duì)拓?fù)浒虢饘俚难芯繜岢薄?015年，在對(duì)拓?fù)淞孔硬牧系倪M(jìn)一步研究中，研究組在晶體材料里發(fā)現(xiàn)了一種新型的費(fèi)米子：外爾（Weyl）費(fèi)米子（Nature Physics, 11, 728 (2015)）。外爾費(fèi)米子是具有線(xiàn)性色散的無(wú)質(zhì)量手性粒子，它首先在高能物理的研究中被提出（但是至今沒(méi)有找到相應(yīng)的基本粒子），在固體材料中找到外爾費(fèi)米子充分展示出科學(xué)規(guī)律的普適和深刻。

陳宇林研究組發(fā)現(xiàn)的外爾半金屬是一種新的量子態(tài)，兼具“三維石墨烯”及拓?fù)浣^緣體的優(yōu)良性質(zhì)：一方面，外爾費(fèi)米子具有三維空間中的無(wú)質(zhì)量線(xiàn)性色散；另一方面，它具非平庸拓?fù)浔砻鎽B(tài)（起始及終結(jié)于不同手性的外爾點(diǎn)的奇特“費(fèi)米弧”）。通過(guò)對(duì)一系列外爾費(fèi)米子材料的系統(tǒng)性研究（Nature Materials, 15, 27 (2016)），研究組不僅給拓?fù)渫鉅柊虢饘偌易逶黾恿藘晌恍鲁蓡T，而且觀(guān)測(cè)到自旋軌道耦合效應(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。

外爾半金屬這些不平凡的電子結(jié)構(gòu)，使其具有許多奇異的物理現(xiàn)象。在與德國(guó)馬普固體化學(xué)物理研究所的合作工作中（Nature Physics, 11, 645 (2015)），已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)上觀(guān)測(cè)到了拓?fù)渫鉅柊虢饘俜浅?yōu)異的電學(xué)輸運(yùn)性質(zhì)，比如超高載流子遷移率、極端龐大磁阻現(xiàn)象等。這些優(yōu)異的性質(zhì)不僅使拓?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。

同時(shí)入選“2015年度中國(guó)科學(xué)十大進(jìn)展”的其他研究成果包括：實(shí)現(xiàn)單光子多自由量子隱形傳態(tài)，揭示埃博拉病毒演化及遺傳多樣性特征，實(shí)現(xiàn)對(duì)反物質(zhì)間相互作用力的測(cè)量，探測(cè)到宇宙早期最亮、中心黑洞質(zhì)量最大的類(lèi)星體，發(fā)現(xiàn)東亞最早的現(xiàn)代人化石，解釋人類(lèi)原始生殖細(xì)胞基因表達(dá)與表觀(guān)遺傳調(diào)控特征，解析細(xì)胞炎性壞死的關(guān)鍵分子機(jī)制，研制出碳基高效光解水催化劑，實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)蛋白質(zhì)分子的磁共振探測(cè)。

圖1、 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。

圖2、我校物質(zhì)學(xué)院光子科學(xué)和凝聚態(tài)物理研究部參與此項(xiàng)研究的教授。從左至右：陳宇林、柳仲楷、郭艷峰、顏丙海