美国研究人员认为，外尔费米子(Weyl fermions)——在物质中携带电荷的无质量准粒子，在真空中没有相应的粒子——解释了半金属钕铝硅中令人费解的磁性特征。澳门万博公司尽管这些幽灵现象在2015年首次被观察到，但研究人员的工作表明，Weyl费米子介导的相互作用可以影响材料的体积特性。

在大多数材料中，电子表现为大质量粒子，使它们服从于非相对论量子力学的Schrödinger方程。然而，在石墨烯等材料中，它们可以像质量为零一样传播。它们的运动遵循相对论量子力学的狄拉克方程。狄拉克方程还允许具有不同于电子及其反粒子正电子的性质的解。其中之一是Weyl费米子——一种无质量的粒子，是它自己的反粒子。

Weyl费米子从未在真空中被观测到过。然而在2015年，美国和中国各有两家公司独立观察到Weyl费米子类准粒子如砷化钽中电荷的集体激发和光子晶体中的微波。外尔费米子随后被证明在其他几种材料中引起奇异的电效应。然而，与Weyl费米子相关的集体效应的证据很少:“所有理解反常准粒子的努力都是梦幻般的，非常令人兴奋，但[Weyl费米子]只是坐在那里很奇怪，我们想看看当它们参与到一个相关的集体现象中时，它们能做什么，”他说科林Broholm他领导了这项实验工作。

一幅显示

来源:©N Hanacek/NIST

这种半金属晶体由重复的单元细胞组成，比如左边的单元细胞，它有一个方形的顶部和矩形的侧面。这些球体代表硅(紫色)、铝(绿松石色)，以及——在黄金中——钕原子，后者是磁性原子。要理解这种材料的特殊磁性，就需要9个这样的单元格，如右边较大的块所示(其中一个单元格用红色标出)。这个3x3块显示绿色的“Weyl”电子沿对角线穿过细胞的顶部，并影响Nd原子的磁自旋方向。Weyl电子的一个特殊性质是其自旋方向的锁定，它或平行于或反平行于其运动方向，正如Weyl电子中的小箭头所表示的那样。当这些电子沿着四个金Nd原子运动时，Nd自旋将自己重新定位成一个“自旋螺旋”，可以想象成依次指向12点钟方向(离观察者最近，红色箭头指向向上)、4点钟方向(蓝色箭头)、8点钟方向(也是蓝色箭头)和12点钟方向(离观察者最远，红色箭头指向)。Nd原子的线条穿过晶体的许多层，提供了这种不寻常的磁模式的许多实例

钕铝硅的晶格打破了反转对称(其单元格的一边与另一边不同)。这使得这种材料成为一种Weyl半金属，Broholm解释说，在这种材料中，电荷“主要”不是由电子携带，而是由Weyl费米子携带。至关重要的是，Weyl费米子还介导了相邻钕原子之间的磁相互作用。然而电子的自旋与它的运动无关，Weyl费米子受制于“自旋动量锁定”。“一个传统的电子可以从A点移动到B点，它的自旋指向任何方向，”Broholm解释道。“为了从A点移动到B点，[Weyl费米子]的自旋必须从A点指向B点，或者在相反的探测中。这极大地限制了钕原子之间相互作用的性质。”

中子衍射实验国家标准和技术研究所揭示了在14k以上，钕自旋是无序的，不产生永久偶极矩。然而，在这以下，它们自发地形成一个螺旋图案，其波长与下面的晶体晶格尺寸无关，产生一种被称为helimagnetic的奇异磁铁。“这些奇异的准粒子实际上引起了一种集体现象，即相变，”布罗霍尔姆解释道。他说，过去在其他稀土金属间化合物的磁性中已经看到了空间调制，并希望目前的结果可能有助于解释这些现象。

物理学家Zahid哈桑美国普林斯顿大学教授，他领导了第一个观察到Weyl费米子的小组之一，他说:“有趣的是，中子散射被应用于探索磁性Weyl半金属，这是以前用其他技术发现的。”他指出，尽管这项研究并没有揭示它们本质上的任何新的东西，“进一步应用中子来探索这些材料可能会在未来的实验中揭示新的现象”。然而，他不愿意将这里观察到的现象决定性地归因于Weyl费米子:“目前还没有明确的证据表明这种材料是Weyl磁铁，”他说。

参考文献

J Gaudet等，Nat,垫。， 2021, doi:10.1038 / s41563 - 021 - 01062 - 8

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