40年40项成果之寻找固体宇宙中的新粒子

 

■本报见习记者 程唯珈 记者 甘晓

2018年年末，对中国科学院物理研究所（以下简称中科院物理所）研究员丁洪而言，好消息不止一个。在刚刚公布的中科院改革开放40年40项标志性重大科技成果中，他所从事的拓扑物态研究位列“面向世界科技前沿”15项之一。

与此同时，实验室里，他带领的团队在一种特殊的拓扑材料中发现了非常规的手性费米子，通过掺杂可能实现三维拓扑超导。

“近年来，我国拓扑物态研究发展迅速，中国科学家的一系列发现解决了深层次的物理问题，让我们不断向制造低能耗器件迈进。”站在改革开放40周年的新时代历史方位中，丁洪为中国科学家这些年来取得的成就感到骄傲。

从绝缘体到半金属

香港科技大学讲座教授、中科院物理所原研究员戴希告诉《中国科学报》，在中科院工作12年来，拓扑物态一直是他的中心课题。

拓扑物态是由量子效应导致的与拓扑性质相联系的新物态。对凝聚态物理学家而言，拓扑物态是近十年来这一领域内快速发展的前沿热点之一。制造低能耗的电子器件，是研究拓扑物态最为现实的应用。

2009年，Bi2Te3、Bi2Se3族等拓扑绝缘体首先受到关注。中科院物理所研究人员理论预言在这些拓扑物态中能够实现“量子反常霍尔效应”，即在这些材料中不用外加磁场就可以让电子运动没有能耗。

2011年中国科学院杰出科技成就奖颁发给了这项成果的研究群体。几年后，这一理论方案得到实验证实。

随后，科学家不断扩大视野，将凝聚态中电子态的拓扑分类从绝缘体推广到了半金属。2012年至2014年，中科院物理所研究员方忠、戴希团队与多个实验组合作，理论预言并实验发现了两个狄拉克半金属铋化钠和砷化镉。

寻找固体宇宙中新粒子

在寻找新拓扑物态的征途中，新粒子的发现让科学家收获了诸多物理问题的解答。

丁洪用“固体宇宙”来形容他所研究的对象。“亿万个电子和原子核通过相互作用形成一种决定母体材料性质的准粒子，这些准粒子与基本粒子可能遵循相同的物理规律。”丁洪向《中国科学报》表示，拓扑半金属的发现为寻找这些组成固体宇宙的拓扑准粒子提供了可能。

例如，狄拉克费米子、外尔费米子和马约拉纳费米子不仅可以以基本粒子的形式存在于宇宙中，也能以准粒子的形式存在于固体材料的“宇宙”中，从而形成拓扑半金属，如狄拉克半金属和外尔半金属。

围绕外尔半金属，2015年，根据中科院物理所翁红明等研究人员的理论预言，该所陈根富小组制备出高质量的大块砷化钽晶体，丁洪小组与合作者利用他们不久前在上海光源建成的“梦之线”角分辨光电子能谱实验站对砷化钽晶体进行测量，首次观测到外尔费米子的特征性现象——表面费米弧。

这也是英国物理学会《物理世界》“2015年十大突破”、美国物理学会《物理》“2015年八大亮点工作”、美国物理学会《物理评论》系列期刊诞生125周年纪念论文集收录49项成就中唯一来自中国本土的工作……国际科学界对这项研究的赞誉接踵而至。

这一系列研究让科研人员推测，基本粒子理论中没有的新型费米子可能存在于“固体宇宙”中。利用类似的实验手段，2017年丁洪团队又发现在一类具有碳化钨晶体结构的材料中存在三重简并的电子态，为固体材料中电子拓扑态研究开辟了新的方向。

最近，有关马约拉纳费米子的研究陆续发表。丁洪团队与合作者首次用单种铁基超导体证实了稳定存在的拓扑超导表面态。紧接着，丁洪团队与中科院物理所高鸿钧团队合作，采用扫描隧道谱手段在该超导体中首次观测到马约拉纳任意子。

“马约拉纳任意子可以看成是马约拉纳费米子的一半，即一个量子比特可以一分为二，这就能有效地抵抗局域环境对量子比特的破坏，这对构建稳定的、高容错、可拓展的未来量子计算机的应用具有重要意义。”丁洪介绍。

凝聚态物理的春天到来

回首改革开放40年来的发展，丁洪感慨，多年前，他们需要到国外的实验室去开展测量，距离前沿科研要求相差甚远。“今天，由中国科学家自主研发的大科学装置上海光源的‘梦之线’在发现外尔费米子与三重简并费米子的实验中立下了汗马功劳。”在他看来，这得益于国家经济水平的提高，是科研“硬”环境的进步。

戴希也表示：“20世纪90年代中后期，我们在理论方面接触到的最新成果文献，往往比国外慢了差不多半年。随着如今资讯的发达，接触到的最新进展与成果都是跟国际前沿同步的。”

同时，在“软”环境上，改革开放以来，国家出台了多项鼓励原始创新的政策，也让科学家感到动力十足。

此外，在戴希看来，我国在人才培养方面有着明显的进步。近些年，中科院各大研究所与国内顶尖高校加强学术合作，培养了高校内众多优秀的研究组，本土毕业的博士生的学术水平也能达到非常高的水准。

“在国际交流方面，改革开放后大批中国科学家赴海外求学，国家也出台了相应政策支持他们学成归国。”丁洪表示，“这一领域最好的老师已经回国了。”当年，一名曾拜师丁洪的研究生原本计划出国留学，只因为这句话留在国内完成博士阶段学习。

在多位业内专家看来，中国凝聚态物理领域的春天已经到来。

《中国科学报》 (2019-01-08 第1版 要闻)   更多阅读   中科院发布改革开放四十年40项重大科技成果  

 

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