近日，華東師大精密光譜科學與技術國家重點實驗室袁翔課題組在三維拓撲絕緣體HfTe5中觀測到一維外爾費米子。9月29日，相關成果以《HfTe5中的拓撲Lifshitz相變和一維外爾模》（Topological Lifshitz transition and one-dimensional Weyl mode in HfTe5）為題在線發表在自然雜志子刊《自然·材料》（Nature Materials）。

Nature Materials在線刊發袁翔課題組最新研究成果

手征費米子理論上可以存在于所有奇數維度，外爾費米子作為一種無質量手征費米子具有開放費米弧、三維外爾軌道、手征異常等奇異量子現象，已在三維外爾半金屬中被廣泛研究。教科書中的外爾方程總是從一維出發，再推廣到我們熟悉的三維甚至更高維度。可見，一維外爾費米子，作為外爾費米子最低維度也是最簡潔的形態，具有重要的研究價值，但尚未被發現。

在這一研究中，研究團隊設計并實現了一系列由強磁場調控的拓撲量子相變，并在極強磁場下實現一維外爾費米子。外磁場下，三維拓撲絕緣體中準連續的電子態會量子化為一系列分立的朗道能級，僅在平行磁場方向上仍保持色散。隨著磁場的增大，費米能級向低指數穿過朗道能級并在B0穿過第一朗道能級進入量子極限。當磁場繼續增大，自旋極化的第零朗道能級在臨界磁場B1接觸后，持續關閉能隙，并且形成準一維的交叉從而相變為平庸半金屬。進一步施加更強磁場，朗道能級簡并度的增加使費米能級持續向低能移動，并在臨界磁場B2發生拓撲Lifshitz相變，費米面變成分立的兩段并各自包裹相反手性的“外爾錐”。其色散結構和自旋構型與三維Bloch能帶形成的外爾點非常類似，被稱為一維外爾模。

磁場誘導的一系列拓撲相變及一維外爾模型的形成

實驗上，研究團隊使用強磁場紅外光譜技術，在HfTe5系統中實現了這一方案。強磁場傅里葉光譜技術，可以在強磁場下表征1meV-1eV大范圍的準粒子激發并追蹤其隨磁場的變化，與現有的強磁場電/熱/磁等實驗技術實現互補。拓撲絕緣體HfTe5被廣泛報道具有極低的量子極限，并且介于強弱拓撲絕緣體邊界，這為實現準一維外爾費米子提供了重要的基礎。通過結合35 T電阻磁體和傅里葉光譜技術，研究團隊采集了該體系的強磁場遠紅外光譜。分析光譜發現，與第零朗道能級相關的光學躍遷在磁場大于21T后被反常抑制，這在強磁場紅外光譜研究中極其罕見，光學活性通常不在量子極限后發生改變。這一現象很好地證明了拓撲Lifshitz相變與一維外爾費米子的出現。進一步，研究團隊探索了一維外爾費米子的特殊電磁響應，發現了反比于頻率并且發散的光學吸收曲線。同時，在脈沖強磁場電輸運上，平行磁場方向出現一維外爾費米子手征異常導致的負磁阻現象，進一步論證了三維拓撲絕緣體HfTe5在強磁場下實現了一維外爾費米子的激發。

該工作通過朗道量子化“抹平”三維體系中垂直磁場面內的色散結構從而形成準一維能帶，實現對一維外爾費米子奇異量子現象的探索。在經典圖像中，其等價于通過強磁場回旋運動束縛從而實現沿磁場方向的一維準粒子。該工作為在凝聚態體系中尋找低維的準粒子提供了一種途徑。

袁翔（左）與本文第一作者2022級博士生吳聞彬

該課題由華東師范大學袁翔課題組，復旦大學張成課題組，中山大學嚴忠波課題組，南方科技大學盧海舟課題組與褚君浩院士團隊合作完成。工作獲得國家自然科學基金、上海市科委與華東師范大學啟動經費和科技項目的支持與資助。相關實驗獲得華東師范大學精密光譜科學與技術國家重點實驗室、極化材料與器件教育部重點實驗室、物質表征中心等平臺支持。論文以華東師范大學為第一單位，袁翔和張成是本文共同通訊作者，華東師范大學2022級博士生吳聞彬和2021級博士生施澤平為共同第一作者。

袁翔課題組主要從事拓撲物態的強磁場物理特性研究，著力于發展穩態強磁場下的紅外光譜實驗技術，探索拓撲量子態在不同維度下的新穎物理效應，以第一/通訊作者在這一領域發現了三維量子霍爾效應，費米弧電導通道，動態手征異常與手征朗道能級，分別發表Nature，Nature Materials,Nature Communications等多篇前置工作。