近日，復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系教授修發(fā)賢課題組在拓?fù)浒虢饘偕榛k納米片中成功實(shí)現(xiàn)手性反常（chiral anomaly）的能谷非局域輸運(yùn)，該結(jié)果為外爾半金屬中的手性反常現(xiàn)象在實(shí)驗(yàn)上提供了可靠的定量測(cè)量，并給出了手性反常的個(gè)重要參數(shù)，能谷散射征長(zhǎng)度。

      1月9日，相關(guān)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(xué)鄒進(jìn)課題組、復(fù)旦大學(xué)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(xué)的個(gè)重要規(guī)律就是對(duì)稱(chēng)性總是對(duì)應(yīng)著守恒量，比如空間平移對(duì)稱(chēng)性對(duì)應(yīng)著動(dòng)量守恒。但是隨著量子力學(xué)的發(fā)現(xiàn)，人們發(fā)現(xiàn)些經(jīng)典情況下具有的對(duì)稱(chēng)性會(huì)在量子化之后被打破，其對(duì)應(yīng)的物理量就會(huì)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(shū)和登月艙模型自動(dòng)掉落書(shū)架的情節(jié)對(duì)應(yīng)的引力異常現(xiàn)象就是個(gè)典型的量子反常行為。另個(gè)的量子反常就是這里研究的手性反常，對(duì)應(yīng)著手征對(duì)稱(chēng)性的破缺。   

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

      1929年，德國(guó)科學(xué)家外爾（Weyl）指出無(wú)質(zhì)量電子可以分為左旋和右旋兩種不同“手性”， 被稱(chēng)為外爾費(fèi)米子 (Weyl Fermion)。這種新奇的無(wú)質(zhì)量粒子在粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型中占有重要地位，但是多年來(lái)并沒(méi)有被實(shí)驗(yàn)所驗(yàn)證。之前備受矚目的中微子曾經(jīng)被認(rèn)為是外爾費(fèi)米子，但是后來(lái)發(fā)現(xiàn)其實(shí)是有定質(zhì)量的。近期在凝聚態(tài)體系中發(fā)現(xiàn)非簡(jiǎn)并的能帶交錯(cuò)點(diǎn)附近的電子態(tài)恰好符合外爾方程，這種半金屬中的準(zhǔn)粒子可以看成是凝聚態(tài)物理中的外爾費(fèi)米子，對(duì)應(yīng)的母體稱(chēng)為外爾半金屬。在平行的磁場(chǎng)和電場(chǎng)作用下，外爾費(fèi)米子會(huì)因?yàn)槭终鲗?duì)稱(chēng)性的破缺出現(xiàn)手性反常現(xiàn)象，對(duì)應(yīng)定手性的外爾費(fèi)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(fèi)米子會(huì)在外場(chǎng)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(fèi)米子的手性化在實(shí)驗(yàn)上的個(gè)表現(xiàn)是會(huì)造成個(gè)和磁場(chǎng)方向相反的電流，在實(shí)驗(yàn)上的表現(xiàn)是當(dāng)電場(chǎng)平行于磁場(chǎng)時(shí)出現(xiàn)負(fù)磁阻。在外爾半金屬被發(fā)現(xiàn)不久，國(guó)內(nèi)外多個(gè)課題組都立報(bào)導(dǎo)了外爾半金屬中的縱向負(fù)磁阻現(xiàn)象。然而，后期仔細(xì)的實(shí)驗(yàn)研究表明，在外爾半金屬這類(lèi)高遷移率的導(dǎo)電材料中，磁場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致電流的非均勻分布，導(dǎo)致測(cè)量時(shí)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(huì)導(dǎo)致縱向負(fù)磁阻的產(chǎn)生，使得域內(nèi)時(shí)出現(xiàn)大量關(guān)于手性反常實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的討論。

圖２：手性反常的非局域輸運(yùn)測(cè)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(dǎo)和探測(cè)手性反常的區(qū)域分離開(kāi)，在砷化鎘納米片加工出多對(duì)通電及測(cè)量的電，用能谷輸運(yùn)的原理來(lái)把局域的手性化電子態(tài)傳輸?shù)綔y(cè)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(duì)測(cè)量通道同時(shí)測(cè)量到了化電子態(tài)在樣品中的擴(kuò)散行為，通過(guò)擬合擴(kuò)散方程，能夠給出能谷散射征長(zhǎng)度。這是手性反常的個(gè)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(jì)算各種手性反常行為的主要依據(jù)。

       這項(xiàng)研究在當(dāng)前手性反常的大量討論中給出了個(gè)可靠的實(shí)驗(yàn)方案，并且定量測(cè)量出了手性反常的征參數(shù)，給外爾半金屬未來(lái)在能谷電子學(xué)的各種器件研究奠定了基礎(chǔ)。

修發(fā)賢教授

      修發(fā)賢教授主要從事拓?fù)涞依瞬牧系纳L(zhǎng)、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(zhǎng)、物性測(cè)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(xué)、磁學(xué)和光電性。修發(fā)賢教授是PPMS綜合物性測(cè)量系統(tǒng)的資深用戶(hù)之，很高興由美國(guó)Quantum Design生產(chǎn)制造的PPMS綜合物性測(cè)量系統(tǒng)能夠?yàn)樾藿淌谡n題組電輸運(yùn)性質(zhì)等方面的研究貢獻(xiàn)諸多力量。相信不久的將來(lái)，修發(fā)賢教授課題組定能夠在拓?fù)涞依瞬牧稀⒘孔诱{(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(jìn)展。

關(guān)于Quantum Design

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