城大科学家首度发现非配对的“外尔磁单极子”
就像磁铁总是有南极和北极一样，凝聚态物质中一种被称为“外尔费米子”（Weyl Fermions）的特殊准粒子，总是以成对的方式出现，并具有相反的手性（chirality）。长久以来，科学界都没有任何实验报告证明凝聚态物质中存在非配对的外尔点（Weyl point）。直到最近，香港城市大学（城大）一位物理学家终于在一种特殊的单晶固体中，首次观察到非配对的“外尔磁单极子”（unpaired Weyl magnetic monopole），在相关研究领域取得重大突破。
今次研究由城大物理学系助理教授马均章博士，以及瑞士洛桑联邦理工学院（École Polytechnique Fédérale de Lausanne, EPFL）和保罗谢尔研究所（Paul Scherrer Institute）的科学家共同领导。阐述研究成果的论文已刊载于著名的学术期刊《自然通讯》（Nature Communications），标题为“Observation of a singular Weyl point surrounded by charged nodal walls in PtGa”（在铂镓内实验观察到一个被带电结点墙包围的非配对外尔磁单极子）。
马均章博士说：“我们是第一个在实验中成功观察，并记录到非配对的外尔磁单极子的研究团队。今次的发现，为日后寻找固体中非配对的外尔磁单极子的体态拓扑特性，开辟了一条新的路径，这将会促进对基础拓扑物理学的理解，以及外尔半金属在自旋电子学中的应用。”
外尔点：与磁单极子相似的特性
在现实世界中，一块磁铁必会同时拥有南极和北极。虽然现代物理学理论认为，只有一个磁极的“磁单极子”（magnetic monopole）的量子基本单位应该存在，但过去一直没有任何实验或观测，证明磁单极子的存在。故寻找磁单极子一直是现代物理学界所追寻的。
情况相近的是，在凝聚态物质半金属晶体中的外尔点（Weyl points）也具有与磁单极子类似的性质。马博士解释︰“因此，凝聚态物质中的外尔点也被称为外尔磁单极子。”
根据许多物理学家的看法，外尔点与磁单极子相类似。他们普遍认为，由于众所周知的“Nielsen-Ninomiya no-go theorem”（尼尔森-尼诺米亚不可行定理），固体中非配对（unpaired）的外尔磁单极子不可能单独存在。因此，人们认为在半金属中的外尔磁单极子在三维动量空间中，应该总是成对出现并具有相反的电荷或者手性。但是，外尔点还有一个不同于磁单极子的特性，即外尔点在单晶固体表面的投影，应该总是通过一种叫做“费米弧（Fermi arcs）”的导电状态所连接起来。费米弧就像一条表面电子通道，电子可以与手性相反的外尔点之间通过它来传输。
未有成功实验先例
科学家过去曾经在理论方面作出相当的努力，致力于寻找超越“Nielsen-Ninomiya no-go theorem”定理的非配对外尔磁单极子，但一直没有成功的实验纪录。这令到许多科学家认为，这种“非配对物态”很难在单晶固体中存在。
但马博士有不同的看法。他在庞大的科学数据库中，搜索了数以千计的化合物，最终他发现其中有数十种化合物，有很大可能存在着非配对的外尔磁单极子。他的想法得到了理论物理学家于计算上的实证支持，包括专长相关理论的洛桑联邦理工学院吴泉生博士以及Oleg Yazyev教授。其后，由马博士和保罗谢尔研究所史明教授领导的科研团队在研究所的“瑞士同步辐射光源”（Swiss Light Source）研究设施展开了一系列的光电子能谱实验，成功验证了他们初步的想法。
研究团队结合了“角分辨光电子能谱（angle-resolved photoemission spectroscopy, ARPES）实验”以及密度泛函理论计算，首次发现了非配对的外尔磁单极子可以在多种化合物中出现。在研究半金属晶体铂镓（PtGa）时，研究团队更在晶体的动量空间中，确定了多达37个外尔磁单极子，并发现了有关系统拥有奇数的37个外尔点。这些外尔点不是带着+1电荷（25个），就是带着-1电荷（12个），令它们不能实现完全配对。
研究人员亦首次通过实验，证明了非配对的外尔磁单极子，在固体材料的动量空间内，不需要“表面费米弧”来连接他们的表面投影。非配对的外尔点的几何构型，与正常的外尔半金属截然不同，故预期这种新型物态的特性会有重大的变化，将可成为一个新的研究方向。
日后研究新方向
马博士认为，今次有关非配对的外尔磁单极子的突破性发现，可以为凝聚态物质中的外尔磁单极子的基础物理学，提供新的见解。此外，外尔磁单极子的特殊性质，包括高电子迁移率、对外界磁场的特殊反应和低发热率，令这物态有机会在未来的神经形态量子计算和“自旋电子器件”中，大派用场。
马均章博士和吴泉生博士是今次研究论文的第一作者。马博士与瑞士洛桑联邦理工学院的Yazyev教授和保罗谢尔研究所的史明教授，同时是论文的通讯作者。为实验提供单晶固体的合作学者包括德国马克斯普朗克固体化学物理研究所Claudia Felser教授和Kaustuv Manna博士，以及中国科学院强磁场科学中心的熊奕敏教授和宋猛先生。其他合作的学者包括中国科学院物理研究所丁洪教授和钱天教授。
今次的研究得到了多间大学及机构的支持，包括城大、瑞士国家科学基金会、中瑞科技合作项目基金、欧盟“地平线2020”科研创新计划、Marie Skłodowska-Curie Actions、欧洲研究委员会高级资助经费项目、中国科学技术部、国家自然科学基金委员会、中科院以及德国研究联合会（German Research Foundation, DFG）。
DOI number: 10.1038/s41467-021-24289-0
本文已于 “香港城大研创” 微信公众号发布。
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