深大团队首次观测到理想外尔系统

2018-03-27 18:20

  深圳特区报讯(记者马璇)记者昨天从深圳大学获悉,该校范滇元院士团队与英国大学张霜教授课题组合作,通过探索马鞍形状的光子晶体,在实验上首次观测到了理想的外尔系统,相关发表在国际顶尖期刊《Science》上。

  其中,深大博士后郭为论文共同第一作者,项元江副教授为论文的合作作者,英国大学、深圳大学、UniversityofExeter和中科院物理所为论文共同第一单位。据了解,这也是深大第一次以第一作者的身份在《Science》正刊发表研究。

  何为外尔系统?原来,组成物质世界的基本粒子分为玻色子和费米子;费米子包含三种,分别是狄拉克费米子、外尔费米子和马约拉纳费米子。自然界中普遍存在的是狄拉克费米子,外尔费米子和马约拉纳费米子是否存在,长期以来没有。

  直到最近,人们才在凝聚态物质体系中分别观察到外尔费米子和马约拉纳费米子,它们都是电子在凝聚态结构约束下表现出来的元激发,是“准粒子”。外尔费米子最显著的特征是其色散关系上含外尔点。寻找外尔点一时成为多个物理分支(如光学、冷原子)的热门。

  据了解,理想的外尔系统是研究和开发很多有趣的拓扑特性以及实际应用的基础。然而一直以来,科学家们都没有实验观测到理想的外尔系统。由于人工合成的周期性材料(如光子晶体、声子晶体)可具有类似于电子的能带结构,近年来研究者开始在经典波(如电磁波、声波)体系中探索拓扑态及其相关现象。这些自然界中不存在的人工材料具有更多的设计度,不仅为科学家提供了另一个更方便研究拓扑相的平台,也有助于拓扑态的概念应用到新型的光学器件中。

  此次深大等高校和单位的研究人员设计并制备了马鞍形状的光子晶体,观测到了理想的外尔系统,是物理学方面的重大突破。其中四个对称性的外尔点坐落在同一个频率,并且在这个频率周围没有其他能带干扰。科学家们采用近场扫描的方法测量了该光子晶体的体态和表面态的分布情况。他们的发现对外尔拓扑态的研究提供了一个理想的平台。由于光子晶体可具有宏观尺度,外尔光子晶体的实现把外尔物理从微观拓展到宏观,带来了实验制备与测量的方便性,既有利于拓扑物理的进一步发展,亦有利于拓扑物理早日应用。

  这是深大范滇元院士团队继2017年在《物理评论快报》(PhysicalReviewLetters)发表关于超材料三维光子狄拉克点和《自然·通讯》(NatureCommunications)上发表关于拓扑超材料中光子费米弧的直接观测的相关研究后,又一个关于拓扑物理方面的重要。该研究同时得到了国家自然科学基金的资助。

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