近日，華東師范大學(xué)研究員袁翔課題組和合作者一起，在低維準(zhǔn)粒子激發(fā)研究中取得重要進展。聯(lián)合團隊通過強磁場在三維拓撲絕緣體五碲化鉿（HfTe5）中，發(fā)現(xiàn)了一維外爾費米子，并探索了其特殊的電磁響應(yīng)。9月30日，相關(guān)成果在線發(fā)表于《自然—材料》。

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“該研究首次在三維體系中，通過極強的磁場找到一維外爾費米子?！痹韪嬖V《中國科學(xué)報》，“外爾費米子對光和電有著特殊的響應(yīng)，這在現(xiàn)有的三維外爾費米子體系中已得到驗證。我們通過強磁場紅外光譜技術(shù)和脈沖強磁場電學(xué)測量技術(shù)，觀察到了上述響應(yīng)的一維‘版本’?！?/p>

理論上，外爾費米子可以存在于所有奇數(shù)維度體系中。科學(xué)家已經(jīng)在三維體系中找到外爾費米子，并對其開放費米弧、三維外爾軌道、手征異常等獨特性質(zhì)開展了廣泛研究。但一維外爾費米子作為外爾方程描述的最低維、簡潔的形態(tài)，其相關(guān)研究仍然空缺。

袁翔介紹說，維度是物理學(xué)研究中一個重要概念，通過降低研究體系的維度（如制備一維納米線材料）實現(xiàn)一維外爾費米子，在實驗上存在極大難度，無論是光學(xué)、電學(xué)手段，都很難對一個尺度過小的系統(tǒng)開展研究。但通過磁場約束三維體系中電子的行為，等效降低維度，為在實驗上探測一維外爾費米子性質(zhì)提供了一種可能。

“此類研究對研究體系有著極高的限制，需要符合多種物理性質(zhì)才能最終在低溫強磁場下實現(xiàn)‘一維外爾費米子’的激發(fā)?！痹撜撐墓餐谝蛔髡?、華東師范大學(xué)博士生吳聞彬說，“開展這項研究前，我們對許多三維體系進行了相關(guān)的電學(xué)、光學(xué)測試，最終發(fā)現(xiàn)能在HfTe5中實現(xiàn)對一維外爾費米子奇異物理性質(zhì)的探索。”

相關(guān)實驗需要在強磁場（約是地球磁場的70萬倍），極低溫（零下270攝氏度）等極端條件下開展。為此，研究團隊在實驗室內(nèi)搭建多套低溫強磁場系統(tǒng)，并與相應(yīng)的光學(xué)、電學(xué)測試系統(tǒng)耦合進行聯(lián)合測試。

袁翔團隊長期致力于發(fā)展穩(wěn)態(tài)強磁場紅外光譜和電輸運測試技術(shù)，并與復(fù)旦大學(xué)研究員張成課題組、中山大學(xué)教授嚴(yán)忠波課題組、南方科技大學(xué)教授盧海舟課題組和中科院上海技術(shù)物理研究所褚君浩院士團隊合作，利用國內(nèi)外強磁場中心（如華中科技大學(xué)國家脈沖強磁場中心、美國國家強磁場實驗室等）的科學(xué)裝置，最終在實驗上實現(xiàn)了對一維外爾費米子的發(fā)現(xiàn)與探索。

研究人員利用強磁場紅外光譜技術(shù)，發(fā)現(xiàn)三維拓撲絕緣體HfTe5在強磁場下發(fā)生了三次拓撲相變，由于拓撲絕緣體獨特的能帶反轉(zhuǎn)和零級朗道能級自旋極化特征，其零級朗道能帶在強磁場下發(fā)生交叉，同時引起拓撲相變，從而形成“一維外爾?！保渖⒑妥孕楏w類似于三維外爾半金屬。

一維外爾模的發(fā)現(xiàn)，為探索低維外爾費米子的物性提供了平臺。該研究在給出一維外爾模紅外光譜學(xué)證據(jù)的同時，還探究了一維外爾費米子獨特的電磁響應(yīng)。研究人員不僅在強磁場遠紅外光譜上觀察到一維線性能帶的發(fā)散光學(xué)吸收，還在脈沖強磁場輸運測試中觀察到一維外爾費米子手征異常導(dǎo)致的負磁阻現(xiàn)象。由朗道能帶所實現(xiàn)的外爾費米子與來源于傳統(tǒng)布洛赫能帶的相比，具有嚴(yán)格一維、準(zhǔn)粒子參數(shù)高度可調(diào)、超高態(tài)密度等優(yōu)點。這些特征證實了外爾費米子的一維特征和特殊的電磁響應(yīng)。

“該研究提供了一種在三維體系中，通過磁場約束等效降低維度，實現(xiàn)低維物理研究的方法。”袁翔說，“一方面找到了最低維外爾費米子，另一方面對一維外爾費米子的光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)開展了研究，對一維外爾費米子的性質(zhì)有了一定的認識。”

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41563-022-01364-5