2025年未來科學(xué)大獎物質(zhì)科學(xué)獎三位獲獎人：方忠、戴希、丁洪導(dǎo)讀：
剛剛，2025年未來科學(xué)大獎在北京和香港揭曉，中國科學(xué)院物理研究所研究員方忠、香港科技大學(xué)教授戴希和上海交通大學(xué)李政道研究所教授丁洪因”在拓?fù)潆娮硬牧系挠嬎泐A(yù)測以及實驗發(fā)現(xiàn)方面的貢獻(xiàn)”獲物質(zhì)科學(xué)獎。
根據(jù)未來科學(xué)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(yù)測出一系列拓?fù)洳牧?，包括拓?fù)浣^緣體、量子反?；魻柌牧?、以及Weyl半金屬等。與此同時，丁洪在將理論轉(zhuǎn)化為實驗現(xiàn)實方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。他通過對角分辨光電子能譜技術(shù)（ARPES）的創(chuàng)新性使用，首次在方忠和戴希預(yù)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(xué)家廣泛采用。
2015年，當(dāng)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）?，F(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(xué)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?fù)浒虢饘俨牧希═aAs）中直接觀測到一種新奇準(zhǔn)粒子——外爾（Weyl）費米子。
中國科學(xué)家在實驗中觀測到“費米弧”
然而，美國小組的論文被《科學(xué)》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(xué)》拒稿，該文章現(xiàn)已被《物理評述X》接收，該小組另一篇相關(guān)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(xué)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?fù)涮刭|(zhì)，對高容錯的拓?fù)淞孔佑嬎憔哂兄匾饔谩?/span>1929年，德國數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家Hermann Weyl在狄拉克方程的基礎(chǔ)上指出，狄拉克方程無質(zhì)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(xué)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(rèn)為是外爾費米子，但后來發(fā)現(xiàn)中微子是有質(zhì)量的”，中科院物理所團(tuán)隊負(fù)責(zé)研究理論計算的研究員翁紅明介紹說，“近年來，拓?fù)浣^緣體和拓?fù)浒虢饘俚目焖侔l(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(rèn)為，外爾費米子態(tài)可能在某些晶體中被觀察到，相應(yīng)的材料被稱為外爾半金屬。不過，一直以來科學(xué)家們還不曾確定發(fā)現(xiàn)一個外爾半金屬。
中國科學(xué)家在這一領(lǐng)域取得一系列突破，由此啟動了一個國際研究的熱點領(lǐng)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(xué)物理學(xué)院萬賢綱教授與加州大學(xué)戴維斯分校的Sergey Savrasov教授、加州大學(xué)伯克利分校的Ashivin Vishwanath合作，通過理論計算首次認(rèn)為燒綠石結(jié)構(gòu)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(tuán)隊也預(yù)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(guān)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(yù)言Na3Bi和Cd3As2是狄拉克半金屬，并在2014年證實了這一理論預(yù)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(zhì)量（即線性色散）的電子態(tài)，由于某些對稱性的保護(hù)，兩種手性相反的外爾費米子疊加在一起，沒有分開。這向?qū)崿F(xiàn)相互分離的手性外爾費米子的實驗觀測走出了關(guān)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(xué)前沿。2014年12月31日，中國科學(xué)院物理所翁紅明、戴希、方忠通過理論計算第一次預(yù)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(jìn)行摻雜等細(xì)致繁復(fù)的調(diào)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(guān)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(tuán)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(jié)構(gòu)的一個重要實驗技術(shù)。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(xué)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(jìn)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(yīng)該在某處會消失。“實際上它并沒有消失，而是在體內(nèi)分離的手性外爾費米子在表面的投影點進(jìn)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(xué)》雜志編輯并于2月16日提交論文，幾經(jīng)反復(fù)后在6月17日意外遭遇拒稿處理。目前，該小組相關(guān)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(xué)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(xué)》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(xué)》雜志網(wǎng)站上的還有美國麻省理工學(xué)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(rèn)為這對發(fā)展新一代的光學(xué)有重要意義。
英國皇家化學(xué)會（RSC）所屬的《Chemistry World》雜志作為獨立的第三方科學(xué)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
