夢幻材料石墨烯的三維版亮相

　　美國普林斯頓大學(Princeton University)主導的研究小組宣布，在稱為半金屬的晶體中發(fā)現(xiàn)了1929年預測存在的“粒子”，并于2015年7月16日在學術(shù)雜志《Science》上發(fā)表了論文。這一發(fā)現(xiàn)有可能會給未來的電子學帶來巨大影響，比如有望實現(xiàn)功耗大幅降低的元件等等。

　　MIT教授Soljacic的研究室制備的光子晶體版Weyl半金屬。形成了稱為“Double Gyroid ”的構(gòu)造。上面放著的是1美分硬幣。

　　新發(fā)現(xiàn)的“粒子”也可以說是特殊材料中帶有特殊性質(zhì)的電子。具體稱為“Weyl費米子”。其特點是：質(zhì)量為零，并且在晶體中像磁單極子(Monopol)一樣運動。

　　質(zhì)量為零意味著“電阻”非常小，載流子移遷率非常高。而像磁單極子一樣運動則是指，粒子具備相當于磁鐵“N極”和相當于磁鐵“S極極”的任一性質(zhì)。不過，與普通磁鐵的性質(zhì)不同，稱為“貝里電荷(Berry Charge)”。這種“N極”或“S極”的粒子同時從一點產(chǎn)生(成對產(chǎn)生)，一旦開始運動就不易被障礙物阻止，只有相互碰撞才會消失(成對消失)。

　　主導研究的普林斯頓大學物理學教授M.Zahid Hasan在冷卻至幾乎絕對零度的鉭砷(TaAs)晶體中發(fā)現(xiàn)了該“粒子”。內(nèi)部存在Weyl費米子的材料稱為Weyl半金屬。除了TaAs之外，HgTe、NbP、NbAs等也是相關(guān)材料的有力候補。

　  中微子失去資格，探索競爭重燃

　　在Weyl費米子方面，中微子(Neutrino)曾被認為是其中一例。不過，1990年代科學家查明中微子擁有質(zhì)量，因此重新開始了探索。尤其是近幾年，構(gòu)成Weyl半金屬、探索位于其內(nèi)部的Weyl費米子的研究非常活躍，包括日本在內(nèi)，全世界展開了力爭最先發(fā)現(xiàn)該粒子的競爭。最終，由Hasan等組成的研究小組贏得了這場競爭。

　　普林斯頓大學的此次研究是一項共同研究，合作方包括北京大學、臺灣大學、新加坡國際大學(National University of Singapore)、美國橡樹嶺國家實驗室(Oak Ridge National Laboratory)、美國東北大學(Northeastern University)、中國量子物質(zhì)科學協(xié)同創(chuàng)新中心(Collaborative Innovation Center of Quantum Matter in Beijing)。

　　不過，從二維材料來看，以前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)過與Weyl費米子幾乎同等的“粒子”。這就是石墨烯中的電子。石墨烯中的電子，其有效質(zhì)量為零，顯示出稱為彈道傳導的特殊傳導特性。根據(jù)這一點，Weyl半金屬也常常被稱為“三維石墨烯”。

　　而這種Weyl半金屬的光版、也就是以光子晶體實現(xiàn)Weyl半金屬性質(zhì)的研究小組也浮出了水面。它就是美國麻省理工學院(Massachusetts Institute of Technology，MIT)主導的研究小組。該研究小組在普林斯頓大學此次發(fā)表論文的同一期《Science》上刊登了論文。主導研究的是MIT教授Marin Soljacic。Soljacic因2006年發(fā)表共振型無線供電技術(shù)(2007年實施實驗性實證)而為人所熟知。

　　Soljacic的研究小組實際構(gòu)成了以10GHz頻帶的微波為對象的光子晶體。通過向該光子晶體照射微波等手段，在實驗水平上確認該光子晶體具備與Weyl半金屬具有相同的性質(zhì)。“在該光子晶體版Weyl半金屬中，發(fā)生了我們尚且未知的新光學現(xiàn)象，這或?qū)⒂兄趯崿F(xiàn)新的應(yīng)用”(Soljacic)。