作為1929年物理學家Hermann Weyl預言的一部分，一種沒有質量的“幽靈粒子”——外爾波色子(Weyl Boson)，由美國麻省理工學院物理系、浙江大學航空航天學院和信息與電子工程學院的7名研究人員組成的合作研究組完成了首次實驗觀測，相關學術論文“Experimental observation of Weyl points”發表于今年8月的Science雜志上。
什么是“幽靈粒子”？
Weyl預言的“幽靈粒子”可以定義為特殊材料中帶有特殊性質的電子或光子，分別稱為外爾費米子和外爾波色子，其特點是質量為零，且在晶體中像磁單級子一樣運動。該粒子在能帶圖中表現為一個奇異點，也稱為“外爾點”(Weyl Point)，可看作是二維石墨烯中狄拉克錐(Dirac Cone)的三維拓展，外爾點附近在三個維度均滿足線性色散關系，其等效質量為零。其中外爾費米子的電子學特性可用“三維石墨烯”來比擬，而外爾波色子的光子學特性可引領大功率單模激光器等新型光學器件的發展。
“幽靈粒子”的探索之路
此前幾十年間，物理學家普遍認為亞原子粒子——中微子屬于Weyl預言的無質量粒子。然而在1998年，科學研究查明中微子其實擁有微小的質量，因此重新開始了實驗探索，在近幾年尤其活躍，研究組遍布全世界，然而由于具有較高的實驗難度，在此前一直未能成功實現實驗觀測。
在本次的外爾粒子實驗探索競爭中，共有三個合作研究組幾乎同時發表了他們的獨立研究，除了麻省理工和浙江大學合作研究組對光子晶體中外爾波色子的首次實驗研究，還有普林斯頓大學為主的合作研究組以及中科院為主的合作研究組的對外爾半金屬（一類傳統定義的晶體材料，與光子晶體比較可稱為電子晶體）中外爾費米子的首次實驗研究，在國際引發熱議，被Science、Nature、Nature Physics等多家權威期刊和媒體報道。其中普林斯頓大學為主的合作研究成果與麻省理工和浙江大學的合作研究成果發表于同期的Science雜志上。
蝴蝶翅膀與gyroid光子晶體
本次實驗發現基于一種新型的三維光子晶體材料。通過精確的理論設計和三維特征模式計算，以及對具有高介電常數的高密度陶瓷的準確加工，研究組實現了一種引入周期缺陷的相互嵌套的雙gyroid光子晶體，打破PT對稱中的P對稱（空間對稱），實現外爾點的實驗觀測。
所采用的gyroid結構是典型的三重周期極小曲面，是自然界中常見的一種自組織結構，由Alan Schoen于1970年發現，它看似復雜，其實可用一個簡單的等曲面方程cos(x)sin(y) + cos(y)sin(z) + cos(z)sin(x) = 0定義。生活中最為常見的gyroid結構存在于色彩斑斕的蝴蝶翅膀中，是蝴蝶翅膀的基本顯微結構，通過對可見光的反射與折射，可產生不同的色彩。
* Copyright, (a) 2011 Kim Garwood, (b) Interface Focus 2012 2, 681-687
長達兩年的實驗準備
為了便于加工，所設計的gyroid光子晶體工作于微波頻段，但相同的設計在光波段同樣適用。浙江大學航空航天學院講師王志宇，也是本篇Science論文的第二作者表示，研究組對該三維光子晶體長達兩年的嘗試、制備與實驗測量的過程十分艱辛。嘗試過多種對理論計算得到的理想幾何結構的簡化方法，以減小后續加工過程的復雜度；先后實際測試了多種可能具有高介電常數和較低損耗的材料，包括各種液體、TiO2粉末和懸濁液、金屬、陶瓷等；嘗試了多種機械加工方法，包括3D打印、數字銑床加工等。最終基于優化得到的簡化gyroid結構和選定的具有高硬度和一定脆度的高密度陶瓷，選取了多角度高精度鉆孔的加工方式，并為實現三維光子晶體的空間微波能帶測量，研發了角度可控的自動化空間微波測量平臺。
該研究給出了傳統光學系統中“尺度變化”這一核心瓶頸問題的解決方法，可在光學領域的新興器件中得到廣泛的應用，例如基于該光子晶體的大體積單模激光設備，優良的光波三維空間選擇設備等等。美國麻省理工學院物理系的陸凌博士后，也是本篇Science論文的第一作者表示，在等比例增加激光器尺寸時，通常會引入多種新的諧振和傳播模式，大大增加了實現單模激光的難度，并將顯著降低所產生激光束的質量，但在新系統中，由于該光子晶體的光學特性不隨尺度改變，只有極少的新模式產生，可在三個維度方向隨意擴大其尺度，與傳統光學系統相比優勢明顯。
相關信息
除了美國麻省理工學院物理系的陸凌博士后和浙江大學航空航天學院的王志宇講師兩位研究人員，該合作研究組還包括浙江大學信息與電子工程學院的葉德信博士后、冉立新教授，以及美國麻省理工學院物理系的Liang Fu助理教授、John D. Joannapoulos教授和Marin Soljacic教授。該研究得到美國國家科學基金和中國國家自然科學基金的資助。
