在國家重點研發計劃“大科學裝置前沿研究”重點專項等的支持下，中國科學院物理研究所的研究團隊首次發現了突破傳統分類的新型費米子——三重簡併費米子。這是繼“拓撲絕緣體”、“量子反常霍爾效應”、“外爾費米子”之後，中國科學家在拓撲物態研究領域的又一項重大突破。該項研究成果在《自然》(Nature)雜誌上發表。

那麼我們看看什麼是三重簡併費米子。這裏就不再介紹什麼是費米子了。三重簡併的費米子指的是一種在晶體中新發現的準粒子，這種準粒子在同一個能級態同時存在三種半奇數自旋數，在標準模型的定義裏屬於具有三重簡併的費米子。由於這種三重簡併的費米子不屬於狄拉克費米子，外爾費米子或者馬約拉納費米子，因此它是一種新型的費米子。

2017年，中國科學家首次觀測到三重簡併費米子。

該發現從理論預言、樣品製備、到實驗觀測的全過程，均由中國科學家獨立完成，這表明了中國在這一方面的研究處於世界領先的水平。

從量子力學上講，準粒子實際上是一種量子能，它存在於一個晶體點陣或其它相互作用的粒子系統中。

至於它的意義就比較抽象了，觀測到三重簡併費米子研究成果對促進人們認識電子拓撲物態，發現新奇物理現象，開發新型電子器件，以及深入理解基本粒子性質都具有重要的意義。可能它的成果不會體現在現實生活中，但它能在一些高科技領域有所突破，例如更高級的計算機或者高分子晶體等。

之前跟丁洪聊了聊，這東西還是有點意思的。

與時空連續的宇宙空間不同，“固體宇宙”的一些特殊屬性也引起了科學家們的注意：真實的宇宙是連續的、不分隔的，而“固體宇宙”與則是被一個一個晶格等結構分隔開的，只滿足不連續的分離空間對稱性；真實宇宙具有光速不變性，但在固體中宇宙光速不變原理卻失效了；固體宇宙中存在着230種已知的點羣，就可以近似的認爲有230種“固體宇宙”存在。

種種特殊的性質讓科學家們提出假設：“固體宇宙”中可能存在傳統理論中所沒有的新型費米子，而尋找新型費米子則成爲近年來拓撲物態領域一個極具挑戰性的前沿科學問題，也是該領域國際競爭的焦點之一。

2016年4月，物理所翁紅明、方辰、戴希、方忠等預言在一類具有WC（碳化鎢）晶體結構的材料中存在三重簡併的電子態，其準粒子就是三重簡併費米子，是不同於四重簡併的狄拉克費米子和兩重簡併的外爾費米子的新型費米子。

“以這個預言爲基點，我們開始尋找可能存在三重簡併電子態的材料。碳化鎢雖然具有三角形的晶格，但其熔點高、硬度大，操作起來比較困難”，丁洪介紹。

隨後，物理所研究員石友國指導其博士生馮子力迅速製備出碳化鎢家族中的另一成員——MoP（磷化鉬）單晶樣品，丁洪和同爲中科院物理所研究員的錢天指導博士生呂佰晴，在上海光源“夢之線”和瑞士保羅謝勒研究所經過幾個月的實驗測量，通過測定角分辨電子能譜的方式成功解析出MoP的能帶結構，觀測到了其中的三重簡併點，這與翁紅明指導的博士生許秋楠的計算結果高度吻合，首次實驗證實突破傳統分類的三重簡併費米子的存在。

對於三重間並費米子，丁洪表示此次發現的三重簡併費米子具有它的特殊性：從簡併點的能帶示意圖上看，四重簡併的狄拉克費米子，能帶兩兩重合，並具有一個簡併點；兩重簡併的外爾費米子能帶兩兩不重合，具有兩個簡併點。“而此次發現的三重簡併費米子則有所不同，它具有一條重合的能帶和兩條不重合的能帶，三條能帶兩兩相交，有兩個簡併點”，丁洪說。這也是在固體宇宙中一個非常特別的現象。

四重、三重和兩重簡併點的能帶示意圖，在這些簡併點附近的準粒子分別是狄拉克費米子、三重簡併的新費米子和外爾費米子。紅色或藍色的直線代表非簡併的能帶，紅藍交替的直線代表兩重簡併的能帶。

能帶C1、C2、C3在布里淵區中的位置，其中C1和C3穿過三重簡併點（紅色圓點）

不僅如此，翁紅明等人的理論工作還指出，三重簡併費米子態與狄拉克費米子和外爾費米子態不同，它對外加磁場的方向敏感，使得含有它的母體材料具有磁場方向依賴的輸運性質。近期中科院物理所陳根富研究組在碳化鎢中觀測到與狄拉克半金屬和外爾半金屬顯著不同的方向依賴輸運行爲，緊接着德國馬克斯-普朗克研究所的科學家在MoP中觀測到極低電阻行爲，這些都有可能是這種新型費米子的獨特表現。

此外，丁洪還提到，新發現的三重簡併費米子在強磁場的作用下，重合的那條能帶會“張開”，進而從三重簡併費米子變成四重簡併的外爾費米子。

以上，應該能說明點事兒了。

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