近期，我校范滇元院士團(tuán)隊與英國伯明翰大學(xué)張霜教授課題組合作，通過探索馬鞍形狀的光子晶體，在實驗上首次觀測到了理想的外爾系統(tǒng)。相關(guān)成果以題為“Ideal Weyl points and helicoid surface states in artificial photonic crystal structures”發(fā)表在國際頂尖期刊Science上。深圳大學(xué)博士后郭清華為論文共同第一作者，項元江副教授為論文的合作作者，英國伯明翰大學(xué)、深圳大學(xué)、University of Exeter和中科院物理所為論文共同第一單位。

組成物質(zhì)世界的基本粒子分為玻色子和費米子；費米子包含三種，分別是狄拉克費米子、外爾費米子和馬約拉納費米子。自然界中普遍存在的是狄拉克費米子，外爾費米子和馬約拉納費米子是否存在，長期以來沒有定論。

直到最近，人們才在凝聚態(tài)物質(zhì)體系中分別觀察到外爾費米子和馬約拉納費米子，它們都是電子在凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)約束下表現(xiàn)出來的元激發(fā)，是“準(zhǔn)粒子”。外爾費米子最顯著的特征是其色散關(guān)系上含外爾點。尋找外爾點一時成為多個物理分支（如光學(xué)、冷原子）的熱門。

                                        圖1 理想外爾系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和能帶                       圖2體態(tài)和螺旋表面態(tài)的實驗觀測

    理想的外爾系統(tǒng)是研究和開發(fā)很多有趣的拓?fù)涮匦砸约皩嶋H應(yīng)用的基礎(chǔ)。然而到目前為止，還沒有實驗觀測到理想的外爾系統(tǒng)。由于人工合成的周期性材料(如光子晶體、聲子晶體)可具有類似于電子的能帶結(jié)構(gòu)，近年來研究者開始在經(jīng)典波(如電磁波、聲波)體系中探索拓?fù)鋺B(tài)及其相關(guān)現(xiàn)象。這些自然界中不存在的人工材料具有更多的設(shè)計自由度，不僅為科學(xué)家提供了另一個更方便研究拓?fù)湎嗟钠脚_，也有助于拓?fù)鋺B(tài)的概念應(yīng)用到新型的光學(xué)器件中。

最近，英國伯明翰大學(xué)張霜教授課題組與深圳大學(xué)范滇元院士團(tuán)隊先進(jìn)材料光子學(xué)課題組、University of Exeter和中科院物理合作，設(shè)計并制備了馬鞍形狀的光子晶體（圖1A，B），觀測到了理想的外爾系統(tǒng)，其中四個對稱性保護(hù)的外爾點坐落在同一個頻率，并且在這個頻率周圍沒有其他能帶干擾（圖1C）。他們采用近場掃描的方法測量了該光子晶體的體態(tài)和表面態(tài)的分布情況（圖2）。作為源的探針放在樣品的底部，這樣可以同時激發(fā)體態(tài)和表面態(tài)。測量的探針在樣品的上表面掃描，可以得到近場的振幅和相位分布，然后通過傅里葉變換得到其動量空間的等頻面分布情況。從圖中的實驗和仿真的對比中可以看到螺旋表面態(tài)的旋轉(zhuǎn)情況。他們的發(fā)現(xiàn)對外爾拓?fù)鋺B(tài)的研究提供了一個理想的平臺。

這是范滇元院士團(tuán)隊繼2017年在《物理評論快報》（Physical Review Letters）發(fā)表關(guān)于超材料三維光子狄拉克點和《自然·通訊》（Nature Communications）上發(fā)表關(guān)于拓?fù)涑牧现泄庾淤M米弧的直接觀測的相關(guān)研究后，又一篇關(guān)于拓?fù)湮锢矸矫娴闹匾晒Ｓ捎诠庾泳w可具有宏觀尺度，外爾光子晶體的實現(xiàn)把外爾物理從微觀拓展到宏觀，帶來了實驗制備與測量的方便性，既有利于拓?fù)湮锢淼倪M(jìn)一步發(fā)展，亦有利于拓?fù)湮锢碓缛兆呦驊?yīng)用。

該工作得到了國家自然科學(xué)基金基金的資助。原文鏈接：http://science.sciencemag.org/content/359/6379/1013