费米子

就是满足狄拉克方程的费米子。特性有：速度接近光速，质量为0，表现为良好的导电特性，电子运动受拓扑学保护。应用上石墨烯、拓扑绝缘体表面态的电子都具有这种性质。

外尔半金属的费米面有且仅有孤立的能带交叉点构成，因而其低能激发的准粒子可以用描述外尔费米子的外尔方程来刻画，具有外尔费米子的零质量、确定手性等特征。虽然自由粒子形式的外尔费米子至今未能被实验确认，但在外尔半金属中却能够实现外尔费米子形式的准粒子，这为研究外尔费米子的行为提供了新途径。固体中的外尔费米子准粒子还具有不同于真空中真实粒子的独特物理性质和新奇现象，譬如费米弧和手性反常导致的磁阻效应、内禀反常霍尔效应、三维量子霍尔效应等。因此，首个非磁性外尔半金属TaAs家族材料的发现具有重要科学意义，推动了外尔半金属的研究进展。另一类破坏时间反演对称性的磁性外尔半金属在近期也得到了材料实现和密切研究。 首个实验确认的磁性外尔半金属Co3Sn2S2于2018年被提出，并被相关谱学实验证实。目前，Co3Sn2S2已经成为磁性拓扑物理前沿研究的一个重要平台。Co3Sn2S2属于Shandite化合物，其中Co原子构成层状kagome结构，具有c方向极化的面外铁磁序，磁矩强度为0.3 μB/Co，居里温度约为175 K。能带拓扑结构中，有三对外尔费米点靠近费米能级（图1）。由于外尔费米子可当作是动量空间的赝磁场——贝利曲率的磁单极子，它们将影响实空间中电子的运动，譬如产生内禀反常霍尔效应等。拓扑效应主导的内禀反常霍尔电导能抵御材料缺陷和外部热扰动的破坏，具有很高的稳定性，有利于量子器件的应用。在磁性外尔半金属中，内禀反常霍尔电导与一对手性相反的外尔费米子在动量空间的间距基本成正比，并与外尔费米子到费米能级的远近有关。磁性状态的变化能够影响电子结构，进而使得外尔费米子的位置和能量产生变化。可以预想，当材料中有序排列的磁矩因集体运动产生自旋波时，内部的外尔费米子也将随之被扰动，从而使得反常霍尔电导受到影响。反过来说，外尔费米子作为动量空间的磁单极子，借助系统的自旋-轨道耦合效应，其中的自旋波色散也将受其影响，体现为材料中自旋波的刚度（或斜率）和能隙的温度依赖行为与外尔费米子有内在关联（图2）。 近日，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心研究人员等利用非弹性中子散射精细测量了Co3Sn2S2单晶的低能自旋波，并用唯象理论模型分析了其自旋相互作用和自旋波能隙的温度依赖关系等。他们发现，不同于材料的准二维晶体结构，其铁磁自旋波在低温下具有明显的三维特征，即在ab面内和c方向均存在不同程度的色散（图3），表明该体系具有三维磁交换作用，且层间强度是层内的一半。类似的色散延续到高温顺磁态中，表明了体系具有中等程度的三维自旋关联效应。数值计算结果很好地印证了这一结论，并估算出与实验值接近的居里温度和自旋波刚度，其磁各向异性能约为0.6 meV。然而，高精度的中子散射测量表明，在4 K温度下，自旋波能隙完全打开，高达2.3 meV。详细的温度依赖关系表明，自旋波能隙并不完全服从铁磁序参量的行为，而必须充分考虑反常霍尔电导的影响，体现了外尔费米子与自旋波的相互影响（图4）。此前，在SrRuO3中的研究表明非单调温度依赖自旋波刚度和能隙与反常霍尔电导率行为很类似，但是该材料尚未有关于外尔费米子的确凿谱学证据。而在其他一些磁性拓扑半金属候选材料中，自旋波与拓扑费米子是否存在耦合仍存有较大争议。该研究不仅给出了磁性外尔半金属Co3Sn2S2中的磁性相互作用参数等关键信息，而且明确表明电子拓扑态与自旋动力学之间存在互相影响，这为理解磁性拓扑材料提供了物理基础，并以此启发了该材料体系拓扑物态调控的可能思路。 上述研究工作发表在SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy上。 以上中子散射实验在澳大利亚中子散射中心Taipan和Sika两台三轴谱仪上完成。该研究工作得到了国家自然科学基金、北京市自然科学基金、国家重点研发计划、中科院战略性先导 科技 专项（B类）、中科院青年促进会等项目的支持。 图1. (a)Co3Sn2S2的晶体结构和铁磁结构。(b) 外尔费米子在动量空间位置。 图2. 外尔费米子与自旋波共舞 图3.Co3Sn2S2的自旋波在ab面(H方向)和c方向(L方向)的色散。 图4. Co3Sn2S2的自旋波能隙及其随温度的演化，其中虚线为参照铁磁序参量拟合结果(b=0)，红色空心点为考虑反常霍尔电导贡献之后的数据拟合结果(b≠0)。

大家都知道，量子力学是现代物理学的核心，物理学家对宇宙中“极小构成”的 探索 一直延续至今。从分子、原子，到组成原子的质子、中子、电子，可能都是很多人所熟知的。 然而，随着各种名称怪异的夸克（上夸克，下夸克、顶夸克、奇夸克等），到中微子、玻色子的发现，还有2012年发现的希格斯玻色子，普通大众就开始云里雾里了，这都是些啥…… 如果用非常简单的语言解释，可以概括为：这些粒子的分类和作用，其实是在解释微观量子是如何相互作用、如何黏在一起构成我们所看到的宏观世界的。 简单来说，基本粒子分为两大类，玻色子和费米子。 费米子是构成物质的基本粒子，遵循不相容原理。 玻色子（如光子）作为交换粒子，在粒子之间传来传去，负责产生相互作用力。 自然界中有12种费米子以及对应的反粒子，它们每四种为一代，一共分为三代： 要理解这些，需要了解粒子间的相互作用力，而现代物理学就是在统一这些力，完成“大一统”。 万有引力：几乎可以忽略不计 ； 粒子交换引力子产生引力。 电磁力：就是带电粒子间的相互作用，把原子约束在一起；是化学反应的基础。 量子电动力学（Quantum Electrodynamics，QED）是解释粒子间电磁作用的理论——粒子通过相互传递光子，来产生作用力。量子电动力学是20世纪40年代由费曼等物理学家创立的，费曼还发明了著名的“费曼图”把粒子间的这种相互作用力画了出来。 强相互作用力：束缚着原子核，也就是有质子和中子的部分，使原子核不至于因为电磁力互斥的作用四分五裂； 量子色动力学（Quantum Chromodynamics，QCD）解释了强相互作用力——当夸克互相交换胶子，就会产生强相互作用力。（这些粒子叫做胶子，也是因为他们把夸克黏在了一起） 弱相互作用力：一些放射现象的起因，也是在恒星内部发生原子合成的作用力之一。 弱相互作用力通过交换三种玻色子发挥作用，这个理论预言了希格斯玻色子的存在。 （2017年7月4日，欧洲和研究组织宣布发现了希格斯玻色子。这是继法拉第和麦克斯韦在150年前统一电磁力后，最重大的一次力的统一。） 如果说费米子构成物质，那么玻色子则负责产生它们之间的力：强相互作用力、电磁力和弱相互用力。这也就是基本粒子的标准模型。

寻找马约拉纳信号的实验是通过将纳米线放入能够将其冷却到接近绝对零度的稀释冰箱中进行的。资料来源:HGA Architects and Engineers 探测一种新型量子粒子马约拉纳费米子(Majorana fermion)的竞赛蒙上了阴影。这种量子粒子可以为量子计算机提供动力。作为一个在这个领域工作的人，我开始担心，在一系列错误的开始之后，马约拉纳领域的很大一部分是在欺骗自己。几个声称已经探测到马约拉纳粒子的关键实验，最初被认为是突破，但还没有得到证实。最近的一个案例以高调撤回《自然》(见《自然》591,354-355;这是我和同事文森特·穆里克共同发起的，他是澳大利亚悉尼新南威尔士大学的物理学家。我们在从原始实验中获得了未纳入论文的额外数据后提出了担忧。 这事关重大。马约拉纳粒子理论上是它们自己的反粒子，意大利物理学家埃托雷·马约拉纳(Ettore Majorana)在1937年就预测到了这一点。计算机巨头微软公司希望利用马约拉纳粒子来建造一台可靠的量子计算机:这些粒子可以制造出异常稳定的量子比特。围绕它们的科学兴奋不亚于引力波和希格斯玻色子。 在实验上，研究人员对马约拉纳岛是否已经被探测到存在分歧，更不用说它们是否是量子计算的资产了。随着对这种说法的怀疑逐渐蔓延至鉴赏家之外，该领域正面临着声誉受损的风险，尽管其前景尚未被开发。 在实验室中生产马约拿鱼非常困难。实验结合了纳米技术、超导、设备工程和材料科学等前沿领域。在最先进的方法中，研究人员必须首先培育出一个纳米线晶体——这本身就是一项壮举——以产生一个直径为100纳米(人类头发宽度的千分之一)的原子柱。然后，他们必须将电线连接到一个足够灵敏的电路上，以测量通过它的单个电子。整个实验必须在绝对零度以上大约百分之一度的温度下，在一个磁场是地球磁场10000倍的环境中进行。 在这些极端情况下，当导线中所有的电子都被磁化时，马约拉纳粒子就会从导线两端出现。理论上是这样。 超过100个组织已经尝试过了。据报道，有24人在马约拉纳岛示威。它们通常以特征电子信号的形式出现:随着纳米线上电压的变化，电流会出现一个狭窄的峰值。我是第一批观察到这个现象的团队的成员之一，那是在2012年。不久，更多的报纸出现了。对电流量子化值的探测，先是在理论上预测，然后在2017年的《科学2》(Science2)和2018年的《自然3》(Nature3)上发表的实验中报告，被许多人解释为马约拉纳岛存在的最终证据。 2020年，在进行了重复实验后，这些观察结果受到了仔细审查。《科学》杂志发表了一项由宾夕法尼亚州立大学研究人员在大学公园领导的实验，与2017年的报告相矛盾。我的团队复制了2018年《自然》研究中的图案，但证明它们不一定来自马约拉纳岛。我们交叉检查了同一根纳米线的两端，但发现只有一端有电流峰值。这违背了马约拉纳人总是成对出现的理论的基本预期。反驳的速度正在加快:研究人员还无法证实两篇声称在纳米线中发现马约拉纳机制的独立论文的发现。一种新的铁基超导体，Fe(Te,Se)的当前峰值的报道，被科学和自然通讯杂志上的Majoranas10-12所引用，在今年的物理评论快报发表之后，将需要变得更加细致。 教训:马约拉纳粒子并不是产生当前峰值信号的必要条件。至少从2014年起，我们已经知道了一些更普通的解释，比如其他非Majoranas14的量子态，由纳米线缺陷引起的意外信号，或者是令人着迷但之前 探索 过的众多电子的合作行为(见“混合信号”)。然而，积极的文件不断出现，甚至没有提到其他解释，造成的印象是马约拉纳的乐观主义者和悲观主义者之间的激烈辩论。 作为一个发表过和评论过积极和消极的马约拉纳主张的人，我感觉到了一个更广泛的问题。这场争论已经开始削弱人们对让电流通过量子物体的基本实验方法的信心，尽管这项强大的技术已被用于许多重大发现，包括获得诺贝尔奖的超导性观察、量子霍尔效应和隧道效应。 它已经开始影响我了。未来的研究生会问我是否要停止马约拉纳的研究。Grant审稿人认为是方法论而不是选择性的数据报告导致了这个领域的混乱。 在我看来，通常被称为“量子传输”的基本方法并没有错。我觉得有选择性的数据展示是主要问题。如果所有的论文都包含完整的或至少是适当选择的数据集，量子物理学家就可以给出正确的解释，不管马约拉纳岛或不。 但我认为，研究人员是在挑三拣四——把注意力集中在与马约拉纳理论一致的数据上，而把不一致的数据放在一边。一个很好的例子是:《科学》杂志(Science)在2020年发表的一篇关于Fe(Te,Se)的论文中报告了电流的量化行为，在评估的60个漩涡中，作者在单个漩涡中看到了这种行为。我认为，一些可能不够严格的期刊和审稿人可以支持数据选择研究人员。(当被问及2020年的论文时，《科学》杂志的一位发言人表示，结果和结论，包括解释所观察到的量化的替代机制，都被仔细地介绍了出来。)我和其他审稿人一次又一次地主张，期刊不要基于选择性的数据展示发表论文，而只看到它们出现在其他(有时是同一种)期刊上。有时候，如果一个图表能够说明全部情况，那么就没有必要呈现所有的数据。但是，对于马约拉纳粒子来说，仅仅通过数据搜索来确定正确高度的峰值是不够的，尤其是在存在替代理论的情况下。 选择偏见很容易在假设驱动的实验研究中占据主导地位。“最好的”数据通常被认为是那些符合理论的数据。因此，偏差很容易被排除为实验或人为错误，从而被排除。 另一个问题是，审查马约拉纳主张所需的同行审查范围太广。在任何多学科领域，审查都是困难的。裁判往往是某一学科的专家，很难评判其他学科，这就留下了空白。例如，一个理论物理学家可能对评估计算很满意，但对实验过程却不满意，而一个了解如何生长纳米线的材料科学家可能会跳过理论部分。但要正确评估这项研究，需要对整个研究的整体观点。 这是一个再熟悉不过的故事。《自然》杂志对化学、生物学、物理学、工程学和医学科学的“再现性危机”进行了调查(见《自然》533,452-454;(2016年)，选择性报告结果是罪魁祸首。几十年来我们都看到过这种情况。物理学家罗伯特·米利根(Robert Millikan)在一个多世纪前的油滴实验中遗漏了一些著名的数据点。他确实接近了电子电荷的实际值——但科学不能依赖于这种侥幸。由于数据的选择方式，一些马约拉纳岛的论文被证明是不可靠的。 整个浓缩物质物理学界的行为规范需要更新。只有一个解决办法，那就是全面加强问责制。以下步骤将有助于马约拉纳岛的研究和其他领域。 公开数据。科学家应该在存储库中公开所有数据，并遵守共享标准，比如公平(可查找性、可访问性、互操作性和可重用性)15。有些管理是不可避免的。现代物理实验室收集的数据量很高:计算机脚本控制设备，可能一天24小时运行。一种补救方法是清楚地解释用于执行任何数据选择的协议——这样其他人可能会重用或审查它。记住，数据选择是数据处理的一种形式。 期刊、资助方(包括公司)、研究实验室和大学应该要求这样的开放数据实践，就像他们在临床试验、基因组学、地球科学和其他一些学科中所做的那样。共享数据可以提高可靠性，促进协作并加速进展。例如，高能物理社区可以教会其他人如何分享研究协议，从而使每一篇论文都是可重复或再现的。 虽然这并不广为人知，但许多出版政策和政府研究行为守则已经要求获得进一步的数据。值得注意的是，与其他在研究上投入巨资的国家相比，美国没有全国性的法规。需要进一步努力才能使这种共享自动进行，而不是“应要求”进行。正如《自然》杂志最近撤回的那篇关于马约拉纳岛的论文所表明的，看到完整的数据对于评估一项实验是至关重要的。 批评者会反驳说，简单地分享数据并不能捕捉到实验室里发生的一切，经验和洞察力——手艺——具有协议无法描述的价值。我认为，可靠的、有用的科学是建立在可靠的过程之上的，这些过程可以被反复考察、验证和重新审查，只要有必要。 开放的过程。审稿人需要对不寻常的主张提出更多的质疑。结果好得令人难以置信吗?是否提供了足够的数据?是否考虑过其他解释?应该进行交叉核查，这样就更难证明一个不可靠的主张。对于马约拉纳物理学来说，这就像比较电流峰值的磁场和电场依赖性与理论上的预期一样基本。如果坚持这样做，这将挫败许多错误的主张。 但即使是最严格的审查也可能被忽略。如果论文被拒绝，作者可以不理会所有的输入，将他们的手稿发送到另一个期刊。我曾见过一些马约拉纳岛的论文，因为科学原因受到了多次负面评论和拒绝，但在另一份备受瞩目的期刊上发表的论文只有微小的改动。开放出了名的不透明的出版程序是减少糟糕研究扩散的关键。 编辑应该承担责任:他们是做决定的人，即使他们对某篇论文的主题缺乏深入的专业知识。每一篇被录用的论文都应该附上编辑的名字。对于每次撤回，编辑都应该提供他们对所发生的事情的看法。所有的期刊，特别是高影响力的期刊，都需要得到社区的监督。编辑撤回应该被广泛应用，因为等待作者自己撤回论文可能需要很长时间。目前，大多数期刊甚至没有能力对其论文中的错误进行自己的调查。它们应该在研究界的帮助下建设这种能力。 马约拉纳岛的研究呢?它仍然是可行的和重要的。但是，在我看来，关键的发现还没有被发现。现在需要集中精力改进我们的纳米线材料、实验技术和数据分析，以及梳理出其他解释。需要可靠的证明,粒子确实是自己的反粒子,与我们的眼睛在完整的数据。 只有到那时，我们才能准备好开发马约拉纳量子计算机。 自然592,350-352 (2021) doi: https://doi.org/10.1038/d41586 - 021 - 00954 - 8