美國普林斯頓大學(xué)（Princeton University）主導(dǎo)的研究小組宣布，在稱為半金屬的晶體中發(fā)現(xiàn)了1929年預(yù)測存在的“粒子”,，并于2015年7月16日在學(xué)術(shù)雜志《Science》上發(fā)表了論文,。這一發(fā)現(xiàn)有可能會給未來的電子學(xué)帶來巨大影響，比如有望實現(xiàn)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(gòu)造。上面放著的是1美分硬幣,。

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

　　質(zhì)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(dāng)于磁鐵“N極”和相當(dāng)于磁鐵“S極極”的任一性質(zhì)。不過,，與普通磁鐵的性質(zhì)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(chǎn)生（成對產(chǎn)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(dǎo)研究的普林斯頓大學(xué)物理學(xué)教授M.Zahid Hasan在冷卻至幾乎絕對零度的鉭砷（TaAs）晶體中發(fā)現(xiàn)了該“粒子”,。內(nèi)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(guān)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(rèn)為是其中一例,。不過，1990年代科學(xué)家查明中微子擁有質(zhì)量,，因此重新開始了探索,。尤其是近幾年，構(gòu)成Weyl半金屬,、探索位于其內(nèi)部的Weyl費米子的研究非?；钴S，包括日本在內(nèi),，全世界展開了力爭最先發(fā)現(xiàn)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(xué)的此次研究是一項共同研究,，合作方包括北京大學(xué)、臺灣大學(xué),、新加坡國際大學(xué)（National University of Singapore）,、美國橡樹嶺國家實驗室（Oak Ridge National Laboratory）、美國東北大學(xué)（Northeastern University）,、中國量子物質(zhì)科學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心（Collaborative Innovation Center of Quantum Matter in Beijing）,。

　　不過，從二維材料來看,，以前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)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(zhì)量為零,，顯示出稱為彈道傳導(dǎo)的特殊傳導(dǎo)特性。根據(jù)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(xiàn) Weyl半金屬性質(zhì)的研究小組也浮出了水面,。它就是美國麻省理工學(xué)院（Massachusetts Institute of Technology,，MIT）主導(dǎo)的研究小組。該研究小組在普林斯頓大學(xué)此次發(fā)表論文的同一期《Science》上刊登了論文,。主導(dǎo)研究的是MIT教授 Marin Soljacic,。Soljacic因2006年發(fā)表共振型無線供電技術(shù)（2007年實施實驗性實證）而為人所熟知。

　　Soljacic的研究小組實際構(gòu)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(rèn)該光子晶體具備與Weyl半金屬具有相同的性質(zhì),。“在該光子晶體版 Weyl半金屬中,，發(fā)生了我們尚且未知的新光學(xué)現(xiàn)象，這或?qū)⒂兄趯崿F(xiàn)新的應(yīng)用