——　第二部分　国家自然科学基金项目成果巡礼　——

　　1928年狄拉克提出描述相对论电子态的狄拉克方程。第二年，H.Weyl指出，当质量为零时，狄拉克方程描述的是一对重叠在一起的具有相反手性的全新粒子，这就是外尔（Weyl）费米子，它们的运动满足Weyl方程，其自由度恰好是无质量狄拉克方程的一半。真空中的电子由于存在着时间反演和空间反演对称，处于“左手”和“右手”状态的几率总是相等，量子场论的相关研究表明，当某个特殊的体系只允许存在特定手性的费米子时，会发生所谓的手性反常，即在规范场的作用下这种费米子会被源源不断地产生出来。但是80多年过去了，人们一直没有能够在实验中观测到Weyl费米子。

　　2011年，南京大学万贤刚教授、美国加州大学戴维斯分校的Sergey Savrasov以及伯克利分校的Ashvin Vishwanath教授理论上提出了第一个Weyl费米子材料，即具有烧绿石结构的Y₂Ir₂O₇材料。他们进一步指出，凝聚态材料中的Weyl费米子除了手性反常引起的一系列效应之外，还具有另一个令人惊讶的奇异特性，即在表面上出现不闭合的费米面——“费米弧”。同年，中科院物理所的方忠、戴希研究组发现HgCr₂Se₄材料也是这样的磁性Weyl半金属。这两种材料提出后，国际上掀起了研究Weyl半金属的研究热潮，成为凝聚态物理的一个研究热点。但对于实验研究来说，前面提到的两类材料都是磁性材料，不可避免地存在磁畴，从而使得许多Weyl半金属的重要特性，如手性反常和费米弧等，很难在实验上被观测到。寻找非磁性的Weyl半金属材料，成为该领域发展的关键。

　　中科院物理所方忠、戴希、翁红明及合作者于2012年和2013年从理论上预言Na₃Bi和Cd₃As₂是狄拉克半金属，其低能激发就是无质量的狄拉克费米子。2014年，他们跟实验组合作，在Na₃Bi和Cd₃As₂中观测到了三维狄拉克锥，证实了理论预言，这是世界上首次发现“三维石墨烯”，向实现真正分离的“手性”电子迈出了关键的一步。随后，众多的实验和理论工作迅速开展，形成了当前凝聚态领域的一个研究热点。2014年该研究团队首次预言在TaAs、TaP、NbAs和NbP等材料体系中可打破中心对称的保护，实现两种“手性”电子的分离。这一系列材料能自然合成，无需进行掺杂等细致繁复的调控，更利于开展实验研究，这一结果立刻引起了实验物理学家的重视。我国学者在该领域随后的实验研究中又一次取得了国际领先，中科院物理所的陈根富小组和北京大学贾爽小组几乎同时制备出了具有原子级平整表面的大块TaAs晶体，随后中科院物理所丁洪小组利用上海光源“梦之线”的同步辐射，首次得到了Weyl半金属材料的角分辨光电子能谱，直接观测到了表面的“费米弧”，使得Weyl费米子80多年后第一次展现在科学家面前。与此同时，普林斯顿大学的哈桑研究小组与我国北京大学贾爽小组合作，利用后者提供的样品，也通过角分辨光电子能谱第一时间证实了Weyl费米子的存在。在其后的工作中，上海科技大学的陈宇林小组，证实了在TaP和NbP等材料中Weyl费米子的存在。中科院物理所的陈根富小组和北京大学的贾爽小组又几乎同时发现了可能由手性反常导致的纵向负磁阻信号，引起了学术界的广泛关注。

　　具有手性Weyl费米子的半金属能实现低能耗的电子传输，有望解决当前电子器件小型化和多功能化所面临的能耗问题，同时Weyl费米子受到拓扑保护，也可以用来实现高容错的拓扑量子计算。以上工作得到国家自然科学基金及其他项目资助。