“高深”费米子背后的“简单”科学

发现三重简并费米子的科学家们

图为石友国（左）、翁红明（中）、钱天（右）

图为固体材料中实验发现的三种费米子：四重简并的狄拉克费米子（左）、两重简并的外尔费米子（中）、三重简并的新型费米子（右）。（图片来源于中科院网站）

　　外界评价这次发现具有重大意义——打破常规分类的新型费米子研究，对于深入理解基本粒子性质具有重要意义。更为难得的是，该项研究从理论预言、样品制备到实验观测的全过程，都由我国科学家独立完成。

　　近日，许多科技媒体都在重要位置报道了中国科学院物理研究所的科研团队在拓扑物态研究领域取得的重大突破：我国科学家首次观测到三重简并费米子，为固体材料中电子拓扑态研究开辟了新的方向。这一研究成果于6月19日在线发表在《自然》上。

　　外界评价这次发现具有重大意义——打破常规分类的新型费米子研究，对于深入理解基本粒子性质具有重要意义。更为难得的是，该项研究从理论预言、样品制备到实验观测的全过程，都由我国科学家独立完成。

　　这个吸引全世界目光的成果出自中科院物理所一群年轻的科学家。翁红明、钱天、石友国是这个团队的骨干成员，他们来自不同的省市，学着不同的专业。同时，他们又有共同的经历，比如都在90年代中后期进入大学，在21世纪初留学日本并迅速回国。在科研一线默默耕耘十几年后，他们或许进入了“爆发期”。

　　理论、样品、实验，一个都不能少

　　在物理所的年轻人里，研究员翁红明是小有名气的一位，在知乎上就常有“方忠、戴希和翁红明是不是代表了世界凝聚态物理的顶级水平”之类的“八卦”问题。作为理论物理学家，翁红明专攻量子材料的计算和设计。2015年，他和方辰、戴希、方忠等一起，先理论预言再与实验团队合作，首次证实了外尔半金属砷化钽家族材料的存在。2016年，他们又进一步“预言”：在一类具有碳化钨晶体结构的材料中存在三重简并的电子态。此次《自然》发布的成果从实验角度证实了一年前三重简并费米子的预言是正确的。而这两次实验观测的完成者便是物理所的丁洪、钱天团队。

　　通常，物理学分成两大类，即理论物理和实验物理。理论物理通过理论推导和公式推算得出的结论被称为“预言”，“预言”必须通过实验验证才能成为国际公认的事实。

　　有心人可能会注意到，物理所几次重大发现的官方总结中都会反复提到，“理论预言、样品制备到实验观测的全过程”，在科学家们看来，正是这三个环节的环环相扣才有了他们的屡次成功。“缺了哪一个环节都不行，这次能走在世界其他小组之前首次观测到三重简并费米子是大家通力合作的结果。”翁红明说。

　　翁红明和钱天都说，科研仅靠一个人甚至靠一个小组的力量是不够的，当有重要任务目标时，我们几个小组无缝对接，无论是前年发现外尔半金属还是这次发现三重简并费米子，都胜在理论、样品、实验的紧密结合。

　　这里就不得不提到样品制备，不少研究机构或许会忽略这一环节。“但是物理所不存在这个问题。”石友国乐呵呵地说。他是物理所的研究员，样品制备的专家，天生一副笑面孔，但练就了一身硬功夫。在此次发现三重简并费米子的过程中，他经过几次摸索，很快生长出高质量的样品，为团队赢得了宝贵的时间。