出品：科普中国
制作：陈星
监制：中国科学院计算机网络信息中心
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。
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