2025年未來科學大獎物質科學獎三位獲獎人：方忠、戴希、丁洪導讀：
剛剛，2025年未來科學大獎在北京和香港揭曉，中國科學院物理研究所研究員方忠、香港科技大學教授戴希和上海交通大學李政道研究所教授丁洪因”在拓撲電子材料的計算預測以及實驗發(fā)現(xiàn)方面的貢獻”獲物質科學獎。
根據(jù)未來科學大獎介紹，方忠與戴希發(fā)展出一整套計算方法，使他們率先預測出一系列拓撲材料，包括拓撲絕緣體、量子反常霍爾材料、以及Weyl半金屬等。與此同時，丁洪在將理論轉化為實驗現(xiàn)實方面發(fā)揮了關鍵作用。他通過對角分辨光電子能譜技術（ARPES）的創(chuàng)新性使用，首次在方忠和戴希預測的半金屬材料中實驗驗證了Weyl費米子的存在。他們開創(chuàng)的方法現(xiàn)已被全球科學家廣泛采用。
2015年，當丁洪和同事在實驗中觀測到外爾費米子時，《賽先生》曾在7月21日第一時間報道（見文章：一場外爾費米子發(fā)現(xiàn)的國際競賽）。現(xiàn)重新發(fā)布，幫助讀者理解這一工作的原理以及背后的故事。
日前，中科院物理所的丁洪小組、美國普林斯頓大學的Hasan小組和他們的合作者宣布利用角分辨光電子能譜（ARPES）最先獨立地在拓撲半金屬材料（TaAs）中直接觀測到一種新奇準粒子——外爾（Weyl）費米子。
中國科學家在實驗中觀測到“費米弧”
然而，美國小組的論文被《科學》接收并于7月16日在其網(wǎng)站上發(fā)表，同時作出同樣工作的中國小組的論文意外遭遇《科學》拒稿，該文章現(xiàn)已被《物理評述X》接收，該小組另一篇相關文章也被一家知名國際期刊接收，即將發(fā)表。
據(jù)了解，這是自1929年外爾費米子被提出以來，科學家首次在實驗中觀測到外爾費米子及其物理特性。外爾費米子的發(fā)現(xiàn)對發(fā)展低能耗的電子器件意義重大。另外，因其穩(wěn)定的拓撲特質，對高容錯的拓撲量子計算具有重要作用。1929年，德國數(shù)學家和物理學家Hermann Weyl在狄拉克方程的基礎上指出，狄拉克方程無質量的解描述的是一對具有相反“手性”的新粒子，但是多年以來科學家們在實驗中從未觀察到這種粒子。“尋找外爾費米子的努力一直持續(xù)不斷。中微子一度被認為是外爾費米子，但后來發(fā)現(xiàn)中微子是有質量的”，中科院物理所團隊負責研究理論計算的研究員翁紅明介紹說，“近年來，拓撲絕緣體和拓撲半金屬的快速發(fā)展為在凝聚態(tài)體系中觀測外爾費米子提供了新的思路和途徑?！?/span>理論研究認為，外爾費米子態(tài)可能在某些晶體中被觀察到，相應的材料被稱為外爾半金屬。不過，一直以來科學家們還不曾確定發(fā)現(xiàn)一個外爾半金屬。
中國科學家在這一領域取得一系列突破，由此啟動了一個國際研究的熱點領域，并最終成功實現(xiàn)了外爾費米子的獨立觀測。
2011年，南京大學物理學院萬賢綱教授與加州大學戴維斯分校的Sergey Savrasov教授、加州大學伯克利分校的Ashivin Vishwanath合作，通過理論計算首次認為燒綠石結構的銥氧化物可能是磁性外爾半金屬。同一年，中科院物理所方忠、戴希團隊也預言鐵磁尖晶石(HgCr2Se4)屬于外爾半金屬。但兩個提議都還需要實驗驗證。
關鍵的突破來自狄拉克半金屬的發(fā)現(xiàn)。2012年和2013年，中科院物理所方忠、戴希研究組理論預言Na3Bi和Cd3As2是狄拉克半金屬，并在2014年證實了這一理論預言，是世界上首次發(fā)現(xiàn)三維版本的石墨烯。這也是首次在三維空間實現(xiàn)無質量（即線性色散）的電子態(tài)，由于某些對稱性的保護，兩種手性相反的外爾費米子疊加在一起，沒有分開。這向實現(xiàn)相互分離的手性外爾費米子的實驗觀測走出了關鍵性的一步。由此，國際上眾多實驗和理論工作迅速開展，發(fā)現(xiàn)真實的外爾半金屬材料成為激烈競爭的科學前沿。2014年12月31日，中國科學院物理所翁紅明、戴希、方忠通過理論計算第一次預言TaAs, TaP, NbAs和NbP等打破中心對稱的家族材料屬于外爾半金屬。不同于以往的理論方案，這一系列材料能自然合成，沒有磁性且無需進行摻雜等細致繁復的調控，非常有利于實驗驗證。他們的這一發(fā)現(xiàn)率先在arXiv網(wǎng)站對全世界公開，立即受到熱切關注，國際上多個研究組開始了競賽般的實驗驗證工作。1月5日，Hasan小組寫信告知中科院物理所團隊他們也有類似的工作，并同時將論文張貼在arXiv網(wǎng)站。“ARPES是研究電子結構的一個重要實驗技術。使用ARPES實驗可以直接觀測外爾半金屬的最根本特性，即表面態(tài)的費米弧和體態(tài)中的外爾錐”，丁洪告訴《賽先生》。
中科院物理所陳根富小組首先制備出了具有原子級平整表面的大塊TaAs晶體。北京大學的賈爽小組也幾乎同時制備出了TaAs晶體。2015年1月初丁洪小組利用他們剛在上海光源建成的“夢之線”同步輻射X射線對TaAs晶體進行了精確地測量，第一次觀測到TaAs表面態(tài)存在費米弧。2015年2月底他們又在瑞士光源觀測到體態(tài)中的外爾點及其附近的四維外爾錐。在普通金屬里面，費米面是連通的封閉的圈，但是在外爾半金屬的表面，費米面是中斷的圓圈，會在某一個地方突然消失，也就形成了費米弧。丁洪小組和翁紅明、戴希、方忠通過實驗和理論的高度匹配解釋費米弧為何應該在某處會消失。“實際上它并沒有消失，而是在體內分離的手性外爾費米子在表面的投影點進到體態(tài)里面了”，翁紅明解釋說。《賽先生》了解到，丁洪等人隨后撰寫論文，于2月13日聯(lián)系《科學》雜志編輯并于2月16日提交論文，幾經(jīng)反復后在6月17日意外遭遇拒稿處理。目前，該小組相關的兩篇論文即將在其他國際期刊上發(fā)表。而使用北大賈爽小組提供的相同材料，普林斯頓大學Hasan小組及合作者利用ARPES也在實驗中發(fā)現(xiàn)了外爾費米子。其論文2月15日提交，并于7月16日在線發(fā)表在《科學》雜志網(wǎng)站上。
值得注意的，同樣在2月15日提交論文，并于7月16日在線發(fā)表在《科學》雜志網(wǎng)站上的還有美國麻省理工學院的陸凌、傅亮等人的研究工作，他們宣布在一個三維光子晶體中觀測到外爾波色子，并認為這對發(fā)展新一代的光學有重要意義。
英國皇家化學會（RSC）所屬的《Chemistry World》雜志作為獨立的第三方科學媒體，第一時間全面、客觀報道了三個國際研究小組的工作。
參考資料：
1.https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1502/1502.04684.pdf
2.https://www.science.org/doi/10.1126/science.aaa9297
3.https://www.chemistryworld.com/news/elusive-fermion-found-at-long-last/8753.article
