夢幻材料石墨烯的三維版亮相

　　美國普林斯頓大學(Princeton University)主導的研究小組宣布，在稱為半金屬的晶體中發現了1929年預測存在的“粒子”，并于2015年7月16日在學術雜志《Science》上發表了論文。這一發現有可能會給未來的電子學帶來巨大影響，比如有望實現功耗大幅降低的元件等等。

　　MIT教授Soljacic的研究室制備的光子晶體版Weyl半金屬。形成了稱為“Double Gyroid ”的構造。上面放著的是1美分硬幣。

　　新發現的“粒子”也可以說是特殊材料中帶有特殊性質的電子。具體稱為“Weyl費米子”。其特點是：質量為零，并且在晶體中像磁單極子(Monopol)一樣運動。

　　質量為零意味著“電阻”非常小，載流子移遷率非常高。而像磁單極子一樣運動則是指，粒子具備相當于磁鐵“N極”和相當于磁鐵“S極極”的任一性質。不過，與普通磁鐵的性質不同，稱為“貝里電荷(Berry Charge)”。這種“N極”或“S極”的粒子同時從一點產生(成對產生)，一旦開始運動就不易被障礙物阻止，只有相互碰撞才會消失(成對消失)。

　　主導研究的普林斯頓大學物理學教授M.Zahid Hasan在冷卻至幾乎絕對零度的鉭砷(TaAs)晶體中發現了該“粒子”。內部存在Weyl費米子的材料稱為Weyl半金屬。除了TaAs之外，HgTe、NbP、NbAs等也是相關材料的有力候補。

　  中微子失去資格，探索競爭重燃

　　在Weyl費米子方面，中微子(Neutrino)曾被認為是其中一例。不過，1990年代科學家查明中微子擁有質量，因此重新開始了探索。尤其是近幾年，構成Weyl半金屬、探索位于其內部的Weyl費米子的研究非常活躍，包括日本在內，全世界展開了力爭最先發現該粒子的競爭。最終，由Hasan等組成的研究小組贏得了這場競爭。

　　普林斯頓大學的此次研究是一項共同研究，合作方包括北京大學、臺灣大學、新加坡國際大學(National University of Singapore)、美國橡樹嶺國家實驗室(Oak Ridge National Laboratory)、美國東北大學(Northeastern University)、中國量子物質科學協同創新中心(Collaborative Innovation Center of Quantum Matter in Beijing)。

　　不過，從二維材料來看，以前已經發現過與Weyl費米子幾乎同等的“粒子”。這就是石墨烯中的電子。石墨烯中的電子，其有效質量為零，顯示出稱為彈道傳導的特殊傳導特性。根據這一點，Weyl半金屬也常常被稱為“三維石墨烯”。

　　而這種Weyl半金屬的光版、也就是以光子晶體實現Weyl半金屬性質的研究小組也浮出了水面。它就是美國麻省理工學院(Massachusetts Institute of Technology，MIT)主導的研究小組。該研究小組在普林斯頓大學此次發表論文的同一期《Science》上刊登了論文。主導研究的是MIT教授Marin Soljacic。Soljacic因2006年發表共振型無線供電技術(2007年實施實驗性實證)而為人所熟知。

　　Soljacic的研究小組實際構成了以10GHz頻帶的微波為對象的光子晶體。通過向該光子晶體照射微波等手段，在實驗水平上確認該光子晶體具備與Weyl半金屬具有相同的性質。“在該光子晶體版Weyl半金屬中，發生了我們尚且未知的新光學現象，這或將有助于實現新的應用”(Soljacic)。