一種特殊的基本粒子，外爾（Weyl）費(fèi)米子，幾年前被首次發(fā)現(xiàn)。Weyl費(fèi)米子的特點(diǎn)是：Weyl費(fèi)米子以一種有序的方式在材料中移動(dòng)，幾乎不讓它們相互碰撞，因此非常節(jié)能。這為未來(lái)的電子產(chǎn)品開(kāi)辟了有趣的可能性。到目前為止，Weyl費(fèi)米子只在某些非磁性材料中被發(fā)現(xiàn)。然而現(xiàn)在，保羅舍勒研究所（PSI）的科學(xué)家們第一次在實(shí)驗(yàn)中證明了Weyl費(fèi)米子存在于另一種物質(zhì)中：

一種具有固有慢磁漲落的順磁性體，這一發(fā)現(xiàn)還表明，利用小磁場(chǎng)操縱Weyl費(fèi)米子是有可能的，這可能使它們?cè)谧孕娮訉W(xué)中得到應(yīng)用，這是一項(xiàng)很有前景的電子新計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展，其研究成果2019年7月12日發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》上。在可能為未來(lái)節(jié)能電子鋪平道路的方法中，Weyl費(fèi)米子可能會(huì)扮演一個(gè)有趣的角色。在實(shí)驗(yàn)中只在物質(zhì)內(nèi)部發(fā)現(xiàn)了所謂的準(zhǔn)粒子，它們的行為就像沒(méi)有質(zhì)量的粒子。

數(shù)學(xué)家赫爾曼·外爾(Hermann Weyl)在1929年從理論上做出了預(yù)測(cè)。但PSI的科學(xué)家們直到2015年才有了實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)證明了外爾的預(yù)測(cè)。到目前為止，Weyl費(fèi)米子只在某些非磁性材料中被觀察到。然而現(xiàn)在，PSI的一組科學(xué)家與美國(guó)、中國(guó)、德國(guó)和奧地利研究人員也在一種特定的順磁性物質(zhì)中發(fā)現(xiàn)了它們。這一發(fā)現(xiàn)可能使未來(lái)計(jì)算機(jī)技術(shù)中Weyl費(fèi)米子的潛在應(yīng)用更進(jìn)一步。

尋找慢磁漲落

PSI的博士后研究員、這項(xiàng)新研究的第一作者馬軍章(音譯)說(shuō)：最難的部分，是找到一種合適的磁性材料，在其中尋找這些Weyl費(fèi)米子。多年來(lái)，盡管公認(rèn)的理論假設(shè)是，在某些磁性材料中，Weyl費(fèi)米子可以獨(dú)立存在，但盡管全球幾個(gè)研究小組做出了相當(dāng)大的努力，這方面的實(shí)驗(yàn)證據(jù)仍然缺乏。PSI的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)于是有了一個(gè)想法，將注意力轉(zhuǎn)向一組特定的磁性材料：具有慢磁漲落的順磁性材料。在特定的順磁性材料中，這些固有的磁漲落足以產(chǎn)生一對(duì)Weyl費(fèi)米子。

但波動(dòng)必須足夠慢，才能出現(xiàn)Weyl費(fèi)米子，從那時(shí)起，確定哪些物質(zhì)具有足夠慢的磁漲落，就成了研究人員的主要挑戰(zhàn)。由于磁漲落的特征時(shí)間并不是每一種材料都能在參考文獻(xiàn)中查到，所以研究人員花了一些時(shí)間和精力來(lái)尋找適合實(shí)驗(yàn)的材料。在PSI進(jìn)行的理論物理模型分析也幫助確定了一個(gè)有希望的候選材料，該材料具有慢磁漲落：化學(xué)符號(hào)EuCd2As2:銪-鎘-砷。事實(shí)上，在這種順磁性材料中，科學(xué)家們能夠通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明Weyl費(fèi)米子。

用介子和x射線測(cè)量

科學(xué)家們使用兩個(gè)PSI大型研究設(shè)施進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：首先使用瑞士Muon源（SμS）來(lái)測(cè)量和更好地表征其材料的磁波動(dòng)。隨后在瑞士光源SLS用x射線光譜法觀察了Weyl費(fèi)米子。其證明的是：Weyl費(fèi)米子可以存在于比之前認(rèn)為更廣泛的材料中。因此，研究大大拓寬了被認(rèn)為是可行材料的范圍，以尋找適合未來(lái)電子產(chǎn)品的材料。在一個(gè)叫做自旋電子學(xué)的發(fā)展領(lǐng)域，Weyl費(fèi)米子可以被用來(lái)傳輸信息，其效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于當(dāng)今技術(shù)中電子傳輸信息的效率。

博科園｜研究/來(lái)自：保羅舍勒研究所
參考期刊《科學(xué)進(jìn)展》
DOI: 10.1126/sciadv.aaw4718
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