[科普中国]-三重简并费米子有何高深之处？

英国《自然》杂志6月19日在线发表了中国科学院物理研究所的一项最新成果，该所科研团队首次发现了突破传统分类的新型费米子——三重简并费米子，为固体材料中电子拓扑态研究开辟了新的方向。

三重简并费米子（图片来自网络）

该发现从理论预言、样品制备、到实验观测的全过程，均由我国科学家独立完成，这表明了我国在这一方面的研究处于世界领先的水平。这一研究成果对促进人们认识电子拓扑物态，发现新奇物理现象，开发新型电子器件，以及深入理解基本粒子性质都具有重要的意义。

图（a）四重、三重和两重简并点的能带示意图，在这些简并点附近的准粒子分别是狄拉克费米子、三重简并的新费米子和外尔费米子。红色或蓝色的直线代表非简并的能带，红蓝交替的直线代表两重简并的能带。

图（b）MoP的晶体结构。

图（c-e）实验测量的布里渊区三个方向C1、C2、C3的能带色散。

图（f-h）相应的能带计算结果。

图（i）C1、C2、C3在布里渊区中的位置，其中C1和C3穿过三重简并点（红色圆点）。图（j）从实验中提取出的能带色散构成的三维图

（图片来自中国物理协会期刊网）

那么什么是三重简并费米子呢？要弄清楚这个概念，首先得知道两个基本概念，一个是准粒子，另一个是费米子。

从量子力学上讲，准粒子实际上是一种量子能，它存在于一个晶体点阵或其它相互作用的粒子系统中。基于它具有可量度的空间坐标参数和动量值，某些行为表现的像一个粒子一样，因此人们通常称其为准粒子，即有点像粒子，但本质却不是。准粒子通常是更基本的粒子之间相互作用的表现，引入准粒子的概念是为了方便理论上对实验的描述。

量子能(图片来自网络)

费米子的概念是在标准模型里给出的，在标准模型里，费米子是指具有半奇数自旋的粒子，所谓的半奇数是指1/2, 3/2, 5/2……。**一般说来由奇数个夸克或轻子组成的复合粒子都是费米子。**所有夸克与轻子，所有重子以及很多种原子与原子核都是费米子。和费米子相对应的概念是玻色子，是指是具有整数自旋的粒子。

奇数夸克粒子属于费米子（图片来自网络）

现有的费米子有三种：不带质量的外尔费米子（Weyl fermion）、带质量的狄拉克费米子（Dirac fermions）、粒子与反粒子相同的马约拉纳费米子。大多数标准模型中的费米子都是狄拉克费米子，很少数的部分属于外尔费米子和马约拉纳费米子。**其中狄拉克费米子的能级简并****是两重的，外尔费米子的能级简并是四重的。而马约拉纳费米子的能级简并不可能是三重的。**因此，此次发现的具有三重简并费米子不属于现有的三种类型的费米子。

狄拉克费米子（图片来自网络）

这里的三重简并指的是在能量相同的点存在三个不同的能级，这些能级的虽然能量一样，但是自旋数却不一样，因此属于不同的能级。就好比在同一楼层里住了三个人，这三个人虽然属于同一楼层，但是三个人的却是三个个体，而不是一个。

三重简并费米子（图片来自网络）

通过以上的介绍，大家应该对这个三重简并的新型费米子有了大概的了解了吧。

总结一下，此次中国科学院物理研究所发现的**三重简并的费米子指的是一种在晶体中新发现的准粒子，这种准粒子在同一个能级态同时存在三种半奇数自旋数，在标准模型的定义里属于具有三重简并的费米子。**由于这种三重简并的费米子不属于狄拉克费米子，外尔费米子或者马约拉纳费米子，因此它是一种新型的费米子。

这次发现很重要，检验了理论的正确性，并且在相关领域开拓了新的研究方向。但是还谈不上是诺奖级别的，这是因为准粒子的重要性不及粒子，只有当真正发现的是一种新型的粒子时，才算是诺奖级别的。例如几年前发现的Higgs 玻色子就是一种新型的粒子，相关的科学家也获得了诺贝尔奖。