科学家发展强磁场红外光谱技术，发现一维外尔费米子等拓扑现象，未来将继续探索新维度拓扑物理规律

不少人都知道，在不同维度下，许多科学规律会发生质的变化。

比如，引力这一自然界中最普遍的力，在三维空间中随距离成平方反比，在二维空间中与距离成反比，在一维空间中不随距离发生改变。

另外，在三维体系中，长程铁磁序被认为是允许存在的，但它是否同样存在于二维体系中，学术界目前仍有争议。（编者注：长程铁磁序是凝聚态物理学中的一个重要概念，描述了一种材料中自旋的排列方式。）

由于每个科学领域都可能会遇到维度问题，因此探索不同维度下基本粒子的科学规律，是备受学术界关注并且颇具挑战的基础科学问题之一。

而将拓扑物理研究和维度问题相结合，进而探索新维度下的拓扑现象，则是华东师范大学袁翔教授多年来专注的研究方向。

他开发了稳态强磁场红外光谱技术，并通过该技术系统研究了强磁场诱导的新空间维度中的拓扑物理现象，从而发现了包括一维外尔费米子和三维量子霍尔效应等在内的一些拓扑准粒子和拓扑物理现象。

凭借研发了极端条件强磁场红外光谱技术，并基于此发现一维外尔费米子和三维量子霍尔效应，在新的空间维度中实现了重要的拓扑量子科学突破，袁翔成为 2023 年度《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人”中国入选者之一。

发展强磁场红外光谱技术，发现一维外尔费米子等拓扑量子科学突破

现如今，在推动我国科技进步的过程中，自主研发科学装置是重要一环。

其中，作为持续性的战略研究需求，强磁场大科学装置建设被列入中国 2035 年远景目标纲要。

虽然中国在磁体技术上已经达到世界领先水平，但在稳态强磁场下的红外测量上，与国际水平仍然存在差距。

基于此背景，2019 年入职华东师范大学以后，袁翔开始在学校和相关基金的支持下开展相关仪器革新。

大约花了三年的时间，他带领团队克服了红外兼容的困难，提出并实现了外置探测方案，自主发展了强磁场红外光谱技术。

也正是这一突破，为袁翔此后取得以下几方面科学成果，奠定了主要的技术基础。

手性，是化学、物理等多个科学领域中的一个基本概念。

人们的左手和右手，就是一对典型的“手性”例子，它们不能通过任何旋转或翻转完全重合，只能互为镜像。

此外，外尔费米子，也是一个有手性的例子。

其拥有手征异常、开放费米弧等新奇特性，已经在以钽砷（TaAs）为代表的材料体系中被发现，并在三维情况下被广泛研究。

原则上说，手征费米子能够在任何奇数维度上产生，但迄今的多数研究都只报道了三维外尔费米子，而教科书中介绍外尔费米子时却总是从一维出发，再推广到三维情况。

“这就说明，我们除了可以获得三维的外尔费米子，还有可能获得一维的外尔费米子。而且，从数学上讲，一维外尔费米子是最基础的形式。”袁翔表示。

借助上述强磁场红外光谱技术，他观察了强磁场条件下朗道能级间的光学跃迁活性，并发现拓扑绝缘体先后发生了三次拓扑相变。

袁翔说：“因为拓扑绝缘体特有的能带反转，以及零级朗道能级自旋极化的特征，其零级朗道能带在强磁场下发生交叉，同时引起拓扑 Lifshitz 相变。”

这让袁翔与合作者在发现一维外尔费米子的同时，还实现了最低维度外尔费米子，并验证了一维外尔费米子和三维外尔费米子之间存在的不同[1]。

“和我们设想的一样，在不同维度下，物理规律往往是质的变化。我们发现一维外尔费米子的光电导在极远红外是极大的，而普通的三维外尔费米子却是零。”袁翔表示。

另外，值得一提的是，该研究被美国麻省理工学院的巨龙教授评价为“量子材料领域中的重大进展”[2]。

实际上，在该研究开展的过程中，他们也遇到了许多技术和科学层面上的挑战。

从技术上说，由于要研究的对象比较小，但红外光谱的波长却比较长，因此他们花了很多时间和精力，才尽可能地把研究对象变得更大。

从科学上说，他们发现通过实验采集到的数据，在许多细节方面并不能与理论完全对照。

“尝试理解那些实验数据中和现有理论不一样的地方，是我们面对的主要困难。但是事实也证明，往往正是这些实验现象，才具有重要的科学意义。”袁翔表示。

三维量子霍尔效应，则是他在读博期间与合作者共同发现的一种拓扑物理现象。

量子霍尔效应，作为上世纪至今凝聚态物理领域关键的科学发现，理论上被认为只能存在于二维体系。

然而，外尔半金属两个开放的费米弧表面态，会通过体态手征零能级耦合成一个闭合的三维电子回旋轨道，即外尔轨道。

基于这一理论机制，袁翔与所在团队给出了强磁场下三维量子霍尔效应的实验证据，更新了量子霍尔效应只能存在于二维系统中的认知[3]。

即便是最基础的科学研究，也可能在遥远的未来造福人类

作为一个土生土长的上海人，袁翔主要的成长经历都在上海。

“我分别在上海市民立中学和市西中学完成中学学业，在复旦大学读完本硕博，博士毕业后进入华东师范大学担任教授至今。”谈及成长背景和求学经历，袁翔如是说。

对于他而言，从事科学研究既是小时候的梦想，也是一直以来的人生追求。

在研究生期间，他曾从事相当长一段时间二维物理和分子束外延技术的研究，之后兴趣转向极端条件强磁场下的拓扑量子物态研究。

入职华东师范大学以后，他主要关注新维度下的拓扑物态，并取得了以上述研究成果为代表的一系列科学发现。

值得关注的是，前不久，他还使用强磁场发现了三维范霍夫奇点[4]。

此前，范霍夫奇点被认为只能存在于一维和二维中，而袁翔带领团队在磁性的拓扑体系中发现了三维范霍夫奇点。

“范霍夫奇点是固体中电子态密度无穷大的点，这意味着那个点附近允许存在的电子态特别多，并会出现很强的电子和外场之间还有自身间的相互作袁翔解释道。

因为我们生活在一个三维的世界中，所以如果范霍夫奇点可以在三维中被实现，那么它就有可能在更多系统中被发现，并助力对这一物理特征的研究。

总的来看，该成果的关键意义主要体现在以下两个方面。

其一，范霍夫奇点电子和电子之间的关联作用比较强，所以该成果能够为相关领域的研究人员提供一个研究关联物理的新方法。

其二，由于范霍夫奇点电子和外场之间的相互作用也比较强，因此该成果有望在未来促进灵敏传感等领域的应用。

显而易见，袁翔所从事的研究属于非常基础的科学，而他也自然可以被定义为不折不扣的学术派。

基于他的发现转化为应用的情况，很能不会发生，也可能发生在很遥远的未来。

在这种情况下，对于自己的研究给全社会乃至全世界带来的影响，他又是如何看待的呢？

“当年爱因斯坦在提出相对论时。一方面大家不愿意相信，另一方面是不觉得这和我们的生活有什么关系。但从今天来看，如果没有相对论，就不会出现现代社会不可或缺的全球定位系统技术。”袁翔表示。

他认为，虽然自己所做的科学研究是基础中的基础，但也同样期待它能有机会在未来造福人类。即便它们不能在目前转化为应用，但其中的一部分可能会在今后发挥重要的应用价值。

“而从个人角度来说，不管我所做的研究，是否会直接助力未来的社会发展，即便仅仅帮助排除了一些错误选项，但只要我在这个科学共同体中，那么我就做出了自己的贡献。”袁翔表示。

当下，他仍然在研究新维度下的科学规律，除了拓扑物理，还包括非常规超导等一些新奇的物性。

此外，他也希望能将强磁场红外光谱技术覆盖到微区，这样就能将实验基础扩展到纳米材料和纳米结构上。

“本世纪是纳米的世纪，我们越是能理解小尺度的结构，就越有利于探究宏观层面的物理性质。”袁翔说。

参考资料：

1.Wu, W., Shi, Z., Du, Y. et al. Topological Lifshitz transition and one-dimensional Weyl mode in HfTe5. Nature Materials 22, 84–91 (2023). https://doi.org/10.1038/s41563-022-01364-5

2.Lu, Z., Ju, L. A new way to Weyl. Nat. Mater. 22, 408–409 (2023). https://doi.org/10.1038/s41563-023-01512-5

3.Zhang, C., Zhang, Y., Yuan, X. et al. Quantum Hall effect based on Weyl orbits in Cd3As2. Nature 565, 331–336 (2019). https://doi.org/10.1038/s41586-018-0798-3

4.Wu, W., Shi, Z., Ozerov, M. et al. The discovery of three-dimensional Van Hove singularity.Nature Communications 15, 2313 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-46626-9

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