近日，復旦大學物理學系教授修發(fā)賢課題組在拓撲半金屬砷化鎘納米片中成功實現(xiàn)手性反常（chiral anomaly）的能谷非局域輸運，該結(jié)果為外爾半金屬中的手性反?，F(xiàn)象在實驗上提供了可靠的定量測量，并給出了手性反常的個重要參數(shù)，能谷散射征長度。
 

    1月9日，相關研究論文“Room-temperature chiral charge pumping in Dirac semimetals”在線發(fā)表于《自然通訊》（Nature Communications 8, 1374 (2017)）。該工作是與澳大亞昆士蘭大學鄒進課題組、復旦大學物理系吳義政課題組合作完成，修發(fā)賢課題組博士生張成、張恩澤、王偉懿分別為前三名作者。

    物理學的個重要規(guī)律就是對稱性總是對應著守恒量，比如空間平移對稱性對應著動量守恒。但是隨著量子力學的發(fā)現(xiàn)，人們發(fā)現(xiàn)些經(jīng)典情況下具有的對稱性會在量子化之后被打破，其對應的物理量就會因此不再保持守恒，這就是所謂的量子反常。電影《星際穿越》中多次出現(xiàn)的書和登月艙模型自動掉落書架的情節(jié)對應的引力異?，F(xiàn)象就是個典型的量子反常行為。另個的量子反常就是這里研究的手性反常，對應著手征對稱性的破缺。
 

▲ 圖1：不同手性的外爾費米子和電磁場激發(fā)的手性轉(zhuǎn)換 （Chiral anomaly）

    1929年，德國科學家外爾（Weyl）指出無質(zhì)量電子可以分為左旋和右旋兩種不同“手性”， 被稱為外爾費米子 (Weyl Fermion)。這種新奇的無質(zhì)量粒子在粒子物理的標準模型中占有重要地位，但是多年來并沒有被實驗所驗證。之前備受矚目的中微子曾經(jīng)被認為是外爾費米子，但是后來發(fā)現(xiàn)其實是有定質(zhì)量的。近期在凝聚態(tài)體系中發(fā)現(xiàn)非簡并的能帶交錯點附近的電子態(tài)恰好符合外爾方程，這種半金屬中的準粒子可以看成是凝聚態(tài)物理中的外爾費米子，對應的母體稱為外爾半金屬。在平行的磁場和電場作用下，外爾費米子會因為手征對稱性的破缺出現(xiàn)手性反常現(xiàn)象，對應定手性的外爾費米子數(shù)目不再守恒。在外爾半金屬中，由于整體電子數(shù)不變，手性反常的表現(xiàn)就是其中種手性的外爾費米子會在外場作用下自發(fā)轉(zhuǎn)化成另種手性，變成種手性化狀態(tài)。

    手性反常下外爾費米子的手性化在實驗上的個表現(xiàn)是會造成個和磁場方向相反的電流，在實驗上的表現(xiàn)是當電場平行于磁場時出現(xiàn)負磁阻。在外爾半金屬被發(fā)現(xiàn)不久，國內(nèi)外多個課題組都立報導了外爾半金屬中的縱向負磁阻現(xiàn)象。然而，后期仔細的實驗研究表明，在外爾半金屬這類高遷移率的導電材料中，磁場會導致電流的非均勻分布，導致測量時電壓差不*正比于樣品本征的電阻變化，出現(xiàn)所謂的 Current Jetting 現(xiàn)象。這種情況下也會導致縱向負磁阻的產(chǎn)生，使得域內(nèi)時出現(xiàn)大量關于手性反常實驗驗證的討論。
 

▲ 圖２：手性反常的非局域輸運測量

    和之前的研究不同，修發(fā)賢課題組創(chuàng)新性地把電流誘導和探測手性反常的區(qū)域分離開，在砷化鎘納米片加工出多對通電及測量的電，用能谷輸運的原理來把局域的手性化電子態(tài)傳輸?shù)綔y量電。這種空間上的隔離很好地去除了 Current Jetting 現(xiàn)象的影響。更為重要的是，多對測量通道同時測量到了化電子態(tài)在樣品中的擴散行為，通過擬合擴散方程，能夠給出能谷散射征長度。這是手性反常的個重要參數(shù)，能夠表征化電子態(tài)的穩(wěn)定性，也是理論上計算各種手性反常行為的主要依據(jù)。

    這項研究在當前手性反常的大量討論中給出了個可靠的實驗方案，并且定量測量出了手性反常的征參數(shù)，給外爾半金屬未來在能谷電子學的各種器件研究奠定了基礎。
 

修發(fā)賢教授

    修發(fā)賢教授主要從事拓撲狄拉克材料的生長、量子調(diào)控以及新型二維原子晶體的器件研究。在狄拉克材料方面致力于新型量子材料的生長、物性測量以及量子器件的制備與表征。在二維材料的器件方面主要研究其電學、磁學和光電性。修發(fā)賢教授是PPMS綜合物性測量系統(tǒng)的資深用戶之，很高興由美國Quantum Design生產(chǎn)制造的PPMS綜合物性測量系統(tǒng)能夠為修教授課題組電輸運性質(zhì)等方面的研究貢獻諸多力量。相信不久的將來，修發(fā)賢教授課題組定能夠在拓撲狄拉克材料、量子調(diào)控以及新型二維原子晶體的器件研究中取得更大的突破與進展。

關于Quantum Design

Quantum Design是的科研設備制造商和儀器分銷商，于1982年創(chuàng)建于美國加州圣迭戈。公司生產(chǎn)的 SQUID 磁學測量系統(tǒng) (MPMS) 和材料綜合物理性質(zhì)測量系統(tǒng) (PPMS) 已經(jīng)成為*的*測量平臺，廣泛的分布于上幾乎所有材料、物理、化學、納米等研究域的實驗室。2007年，Quantum Design并購了歐洲zui大的儀器分銷商LOT公司，現(xiàn)已成為的科學儀器域的跨國公司。目前公司擁有分布于英國、美國、法國、德國、巴西、印度，日本和中國等地區(qū)的數(shù)十個分公司和辦事處，業(yè)務遍及百多個國家和地區(qū)。中國地區(qū)是Quantum Design公司zui活躍的市場，公司在北京、上海和廣州設有分公司或辦事處。幾十年來，公司與中國的科研和教育域的合作有成效，為中國科研的進步提供了進的設備以及高質(zhì)量的服務。