“物质宇宙”惊现新粒子

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一个国际研究小组提出，在碲化钨 (WTe2)金属中存在一种名为第二类外尔费米子的新型粒子。这一发现具有很多潜在的应用。

二碲化钨 (WTe2)晶体图像

一个国际研究小组预测，在金属中存在一种名为第二类外尔费米子的粒子。在磁场作用时，施加某些方向的电流，含有该粒子的材料表现为绝缘体，而当施加电流方向改变时，则表现为导体。这种性质表明其从低能耗设备到高效的晶体管等方面有很多潜在的应用。


研究人员提出，该粒子存在于二碲化钨 (WTe2)物质中。研究人员将这种物质比喻为“物质宇宙”,因为它包含多种粒子,其中一些存在于正常的宇宙中，另一些可能只存在于特殊类型的晶体中。


这项研究由普林斯顿大学物理学物理学副教授B. Andrei Bernevig、苏黎世联邦理工学院的Matthias Troyer 和Alexey Soluyanov以及中国科学院物理研究所的戴希共同主持。该研究团队还包括普林斯顿大学的王志俊博士、苏黎世联邦理工学院的吴泉生博士和研究生Dominik Gresch。


目前，关于材料的认知基于一个简化的模型----固体中的电子是特殊的没有相互作用的，称之为准离子，其运动的有效场由被称为离子和电子的带电实体所产生。这些准离子,称为布洛赫电子，都是费米子。
就像电子是宇宙中的基本粒子一样，布洛赫电子可以被认为是固体中的基本粒子。换句话说,这种晶体本身就是一个独立的“宇宙”，拥有自己的基本粒子。


研究人员发现，尽管相对论理论只允许一种类型的费米子存在，但在凝聚态物质中，有可能同时存在两种截然不同的费米子。标准的第一类费米子，当它处于零能级时，只有两种可能的存在状态，与电子的上旋和下旋状态类似。


最新预测的第二类费米子有一种热力学态是处于零能量状态，即所谓的费米面。它的费米面与常见的不同，出现在电子和空穴的接触点处。这使得新的费米子具有有限的密度，从而打破了洛伦兹对称性。


该发现开辟了很多研究方向。一般情况下，大多数金属受到磁场时电阻率会增加，这在很多技术中已经得到应用。普林斯顿大学和北京中科院物理研究所的两个研究小组在最新的研究中表明，对于标准的第一类外尔费米子金属而言，当施加的电场和磁场的方向相同时，其电阻率会降低，即负纵向磁阻效应。


“更有趣的是在其他凝聚态物质中发现更多的‘基本’粒子，”研究人员说，“材料世界包含无穷无尽的物质，其他粒子的哪些会隐藏其中呢?材料中各种费米子的发现仅仅是个开始。”