作為1929年物理學(xué)家Hermann Weyl預(yù)言的一部分，一種沒有質(zhì)量的“幽靈粒子”——外爾波色子(Weyl Boson)，由美國麻省理工學(xué)院物理系、浙江大學(xué)航空航天學(xué)院和信息與電子工程學(xué)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(guān)學(xué)術(shù)論文“Experimental observation of Weyl points”發(fā)表于今年8月的Science雜志上。
什么是“幽靈粒子”？
Weyl預(yù)言的“幽靈粒子”可以定義為特殊材料中帶有特殊性質(zhì)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(zhì)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(xiàn)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(guān)系，其等效質(zhì)量為零。其中外爾費米子的電子學(xué)特性可用“三維石墨烯”來比擬，而外爾波色子的光子學(xué)特性可引領(lǐng)大功率單模激光器等新型光學(xué)器件的發(fā)展。
“幽靈粒子”的探索之路
此前幾十年間，物理學(xué)家普遍認為亞原子粒子——中微子屬于Weyl預(yù)言的無質(zhì)量粒子。然而在1998年，科學(xué)研究查明中微子其實擁有微小的質(zhì)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(xiàn)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(fā)表了他們的獨立研究，除了麻省理工和浙江大學(xué)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(xué)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(tǒng)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(fā)熱議，被Science、Nature、Nature Physics等多家權(quán)威期刊和媒體報道。其中普林斯頓大學(xué)為主的合作研究成果與麻省理工和浙江大學(xué)的合作研究成果發(fā)表于同期的Science雜志上。
蝴蝶翅膀與gyroid光子晶體
本次實驗發(fā)現(xiàn)基于一種新型的三維光子晶體材料。通過精確的理論設(shè)計和三維特征模式計算，以及對具有高介電常數(shù)的高密度陶瓷的準確加工，研究組實現(xiàn)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(xiàn)外爾點的實驗觀測。
所采用的gyroid結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，由Alan Schoen于1970年發(fā)現(xiàn)，它看似復(fù)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(jié)構(gòu)存在于色彩斑斕的蝴蝶翅膀中，是蝴蝶翅膀的基本顯微結(jié)構(gòu)，通過對可見光的反射與折射，可產(chǎn)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(shè)計的gyroid光子晶體工作于微波頻段，但相同的設(shè)計在光波段同樣適用。浙江大學(xué)航空航天學(xué)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(jié)構(gòu)的簡化方法，以減小后續(xù)加工過程的復(fù)雜度；先后實際測試了多種可能具有高介電常數(shù)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(shù)字銑床加工等。最終基于優(yōu)化得到的簡化gyroid結(jié)構(gòu)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(xiàn)三維光子晶體的空間微波能帶測量，研發(fā)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(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)中“尺度變化”這一核心瓶頸問題的解決方法，可在光學(xué)領(lǐng)域的新興器件中得到廣泛的應(yīng)用，例如基于該光子晶體的大體積單模激光設(shè)備，優(yōu)良的光波三維空間選擇設(shè)備等等。美國麻省理工學(xué)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(xiàn)單模激光的難度，并將顯著降低所產(chǎn)生激光束的質(zhì)量，但在新系統(tǒng)中，由于該光子晶體的光學(xué)特性不隨尺度改變，只有極少的新模式產(chǎn)生，可在三個維度方向隨意擴大其尺度，與傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)相比優(yōu)勢明顯。
相關(guān)信息
除了美國麻省理工學(xué)院物理系的陸凌博士后和浙江大學(xué)航空航天學(xué)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(xué)信息與電子工程學(xué)院的葉德信博士后、冉立新教授，以及美國麻省理工學(xué)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(xué)基金和中國國家自然科學(xué)基金的資助。
