韦德体育注册 首次观察到拓扑金属中的半狄拉克费米子

凝聚态物理学一直是理论与实验物理学家探索的前沿领域，其中拓扑材料以其非平凡的拓扑能带结构和奇特的电子性质而备受关注。在这一领域中，半狄拉克费米子这种特殊的准粒子引起了广泛的研究兴趣，有望革新我们对量子输运和拓扑物态的理解。最近发表在《物理评论X》的一篇论文，深入探讨了拓扑金属中半狄拉克费米子的突破性研究。

半狄拉克费米子的起源

半狄拉克费米子的概念最初来源于对受应变的石墨烯的理论研究。在石墨烯中，低能激发表现为无质量的狄拉克费米子，其能量-动量关系在所有动量方向上都是线性的。然而，当石墨烯受到单轴应变时，狄拉克锥会发生变形，导致能量色散在一个动量方向上呈线性，而在另一个方向上呈二次方关系。这种混合的色散关系产生了半狄拉克费米子，它兼具狄拉克费米子和有质量费米子的特性。

尽管在理论上对半狄拉克费米子在应变石墨烯中的存在已达成共识，但由于实验上实现所需应变的困难，其直接观测一直是挑战。然而，随着拓扑材料研究的进展，人们在实验上探索半狄拉克费米子的新途径不断涌现。

半狄拉克费米子在拓扑金属中的出现

拓扑金属是一类具有节点线或节点面的电子能带结构的材料。这些节点特征源于布洛赫波函数的非平凡拓扑性质，并导致一系列奇异的量子现象，如非常规量子输运、反常霍尔效应和拓扑超导性。

在某些拓扑金属中，节点线的交叉点可以承载半狄拉克费米子。在这些交叉点处，电子色散呈现出上述的线性-二次方混合形式。拓扑金属为研究半狄拉克费米子提供了一个可控且可调的平台。

实验观察

突破性进展来自于对ZrSiS（一种具有节点线半金属结构的拓扑金属）的实验研究。在该材料中，研究人员通过磁光谱学技术观察到了半狄拉克费米子的存在，这是测量光与材料中磁场相互作用的技术。研究人员识别出了半狄拉克费米子的关键特征——布朗森量子化规律，其中能级表现出与磁场强度B^(2/3)的依赖关系。

这一发现意义重大，因为它首次在固态系统中直接提供了半狄拉克费米子的实验证据。研究团队结合第一性原理计算和理论建模，进一步阐明了ZrSiS中的节点线与观察到的半狄拉克谱之间的关系。他们的发现证实，这些节点线的交叉点上存在半狄拉克费米子，揭示了材料拓扑结构中的隐藏层次复杂性。

结论

在拓扑金属中发现半狄拉克费米子代表了量子材料领域的重大进展。通过理论预测和实验验证的结合，研究人员揭示了一类连接无质量和有质量费米子的新型准粒子。这一突破不仅增强了我们对量子材料的基本理解，还为未来在量子计算、电子学和光子学领域的技术应用带来了希望。随着对半狄拉克费米子探索的继续，我们可以期待更多令人兴奋的发展和潜在应用，这将重塑现代物理学和材料科学的格局。