2025年未來(lái)科學(xué)大獎(jiǎng)物質(zhì)科學(xué)獎(jiǎng)三位獲獎(jiǎng)人：方忠、戴希、丁洪導(dǎo)讀：
剛剛，2025年未來(lái)科學(xué)大獎(jiǎng)在北京和香港揭曉，中國(guó)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?jì)算預(yù)測(cè)以及實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)方面的貢獻(xiàn)”獲物質(zhì)科學(xué)獎(jiǎng)。
根據(jù)未來(lái)科學(xué)大獎(jiǎng)介紹，方忠與戴希發(fā)展出一整套計(jì)算方法，使他們率先預(yù)測(cè)出一系列拓?fù)洳牧希ㄍ負(fù)浣^緣體、量子反常霍爾材料、以及Weyl半金屬等。與此同時(shí)，丁洪在將理論轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)現(xiàn)實(shí)方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。他通過(guò)對(duì)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(cè)的半金屬材料中實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了Weyl費(fèi)米子的存在。他們開(kāi)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(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到外爾費(fèi)米子時(shí)，《賽先生》曾在7月21日第一時(shí)間報(bào)道（見(jiàn)文章：一場(chǎng)外爾費(fèi)米子發(fā)現(xiàn)的國(guó)際競(jìng)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(guó)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(dú)立地在拓?fù)浒虢饘俨牧希═aAs）中直接觀測(cè)到一種新奇準(zhǔn)粒子——外爾（Weyl）費(fèi)米子。
中國(guó)科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到“費(fèi)米弧”
然而，美國(guó)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(shí)作出同樣工作的中國(guó)小組的論文意外遭遇《科學(xué)》拒稿，該文章現(xiàn)已被《物理評(píng)述X》接收，該小組另一篇相關(guān)文章也被一家知名國(guó)際期刊接收，即將發(fā)表。
據(jù)了解，這是自1929年外爾費(fèi)米子被提出以來(lái)，科學(xué)家首次在實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到外爾費(fèi)米子及其物理特性。外爾費(fèi)米子的發(fā)現(xiàn)對(duì)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(duì)高容錯(cuò)的拓?fù)淞孔佑?jì)算具有重要作用。1929年，德國(guó)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(wú)質(zhì)量的解描述的是一對(duì)具有相反“手性”的新粒子，但是多年以來(lái)科學(xué)家們?cè)趯?shí)驗(yàn)中從未觀察到這種粒子。“尋找外爾費(fèi)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(fèi)米子，但后來(lái)發(fā)現(xiàn)中微子是有質(zhì)量的”，中科院物理所團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)研究理論計(jì)算的研究員翁紅明介紹說(shuō)，“近年來(lái)，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(cè)外爾費(fèi)米子提供了新的思路和途徑。”理論研究認(rèn)為，外爾費(fèi)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(guò)，一直以來(lái)科學(xué)家們還不曾確定發(fā)現(xiàn)一個(gè)外爾半金屬。
中國(guó)科學(xué)家在這一領(lǐng)域取得一系列突破，由此啟動(dòng)了一個(gè)國(guó)際研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域，并最終成功實(shí)現(xiàn)了外爾費(fèi)米子的獨(dú)立觀測(cè)。
2011年，南京大學(xué)物理學(xué)院萬(wàn)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(guò)理論計(jì)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(duì)也預(yù)言鐵磁尖晶石(HgCr2Se4)屬于外爾半金屬。但兩個(gè)提議都還需要實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
關(guān)鍵的突破來(lái)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(shí)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(shí)現(xiàn)無(wú)質(zhì)量（即線性色散）的電子態(tài)，由于某些對(duì)稱性的保護(hù)，兩種手性相反的外爾費(fèi)米子疊加在一起，沒(méi)有分開(kāi)。這向?qū)崿F(xiàn)相互分離的手性外爾費(fèi)米子的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)走出了關(guān)鍵性的一步。由此，國(guó)際上眾多實(shí)驗(yàn)和理論工作迅速開(kāi)展，發(fā)現(xiàn)真實(shí)的外爾半金屬材料成為激烈競(jìng)爭(zhēng)的科學(xué)前沿。2014年12月31日，中國(guó)科學(xué)院物理所翁紅明、戴希、方忠通過(guò)理論計(jì)算第一次預(yù)言TaAs, TaP, NbAs和NbP等打破中心對(duì)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(méi)有磁性且無(wú)需進(jìn)行摻雜等細(xì)致繁復(fù)的調(diào)控，非常有利于實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。他們的這一發(fā)現(xiàn)率先在arXiv網(wǎng)站對(duì)全世界公開(kāi)，立即受到熱切關(guān)注，國(guó)際上多個(gè)研究組開(kāi)始了競(jìng)賽般的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證工作。1月5日，Hasan小組寫(xiě)信告知中科院物理所團(tuán)隊(duì)他們也有類(lèi)似的工作，并同時(shí)將論文張貼在arXiv網(wǎng)站。“ARPES是研究電子結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要實(shí)驗(yàn)技術(shù)。使用ARPES實(shí)驗(yàn)可以直接觀測(cè)外爾半金屬的最根本特性，即表面態(tài)的費(fèi)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(jí)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(shí)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(mèng)之線”同步輻射X射線對(duì)TaAs晶體進(jìn)行了精確地測(cè)量，第一次觀測(cè)到TaAs表面態(tài)存在費(fèi)米弧。2015年2月底他們又在瑞士光源觀測(cè)到體態(tài)中的外爾點(diǎn)及其附近的四維外爾錐。在普通金屬里面，費(fèi)米面是連通的封閉的圈，但是在外爾半金屬的表面，費(fèi)米面是中斷的圓圈，會(huì)在某一個(gè)地方突然消失，也就形成了費(fèi)米弧。丁洪小組和翁紅明、戴希、方忠通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論的高度匹配解釋費(fèi)米弧為何應(yīng)該在某處會(huì)消失?！皩?shí)際上它并沒(méi)有消失，而是在體內(nèi)分離的手性外爾費(fèi)米子在表面的投影點(diǎn)進(jìn)到體態(tài)里面了”，翁紅明解釋說(shuō)。《賽先生》了解到，丁洪等人隨后撰寫(xiě)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(guó)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(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了外爾費(fèi)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(guó)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(gè)三維光子晶體中觀測(cè)到外爾波色子，并認(rèn)為這對(duì)發(fā)展新一代的光學(xué)有重要意義。
英國(guó)皇家化學(xué)會(huì)（RSC）所屬的《Chemistry World》雜志作為獨(dú)立的第三方科學(xué)媒體，第一時(shí)間全面、客觀報(bào)道了三個(gè)國(guó)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
