科技日報記者 張佳欣
由日本理化學研究所新興物質科學研究中心強關聯(lián)量子輸運實驗室領導的國際團隊，首次成功合成了理想的外爾半金屬，標志著困擾量子材料領域十年的難題取得突破性進展。相關研究成果發(fā)表于最新一期《自然》雜志。
外爾費米子是由晶體中電子的集體量子激發(fā)產生的。據預測，它們能展現(xiàn)出奇異的電磁特性，因此引起全球范圍內的廣泛關注。
科學家在過去十年中對數千種晶體進行了深入研究，但大多數外爾半金屬的電導性主要由不具備拓撲或特殊性質的電子主導，從而掩蓋了外爾費米子的行為。此次，團隊終于合成了一種僅含有一對外爾費米子且不存在無關電子態(tài)的金屬材料。
團隊從拓撲半導體中設計出了外爾半金屬。這一策略最初于2011年從理論上提出，但隨后被學界擱置。
半導體具有較小的“能隙”，使其能夠在絕緣態(tài)和導電態(tài)之間切換，成為商用晶體管的基礎。半金屬可以看作是一種極限的半導體，其“能隙”為零，處于絕緣體和金屬之間的臨界點。在現(xiàn)實材料中，這種極端情況極為罕見。最著名的例子可能是石墨烯，已在莫爾物理學和柔性電子學中得到應用。
該研究中使用的拓撲半導體為碲化鉍。團隊以高度可控的方式調整了材料的化學成分，用鉻替代了鉍，從而合成了（Cr,Bi）2Te3。他們對這種材料中巨大的反常霍爾效應感到好奇，因為它預示著拓撲半導體之外的新物理現(xiàn)象。
與以往的外爾半金屬不同，（Cr,Bi）2Te3獨特的簡單電子結構使團隊能夠利用精確的理論定量解釋實驗，并根據出現(xiàn)的巨大反常霍爾效應做出推斷。團隊表示，這一現(xiàn)象正是由材料內部新出現(xiàn)的外爾費米子所引起。
總編輯圈點
外爾費米子于1929年提出，用以描述高能物理中遵循外爾方程的一種無質量費米子。2011年，理論工作者在磁性固體材料中發(fā)現(xiàn)了一種遵循外爾方程的電子態(tài)，這一發(fā)現(xiàn)意味著人們有可能在固體材料中找到他們所期盼的神秘粒子，它在量子計算、量子信息傳遞方面具有巨大優(yōu)勢。2018年，多國研究人員曾宣布找到了磁性外爾半金屬；現(xiàn)在，研究人員又合成了一種新材料，表現(xiàn)出了“巨大的反常霍爾效應”。基礎研究的突破，假以時日總能給應用領域帶來深遠變革。
