近日，复旦大学物理学系教授修发贤、晏湖根课题组和南京大学电子科学与工程学院教授施毅课题组在外尔半金属中发现独特的电磁响应特性即动态手征反常。3月6日，相关研究成果以《外尔半金属砷化铌中的动态手征反常》(“The discovery of dynamic chiral anomaly in a Weyl semimetal NbAs”)为题在线发表于期刊《自然·通讯》(Nature Communications 11, 1259 (2020))。该成果同时被《自然· 物理》杂志以News and Views的形式专题报道(Xi Dai, Dynamical Anomaly, Nature Physics (2020), DOI: 10.1038/s41567-020-0844-6)。
设想有一个装有手征粒子的盒子，若一开始相反手征的粒子数目一样，任何时候打开这个盒子，将看到左手征和右手征的粒子都一样多。这被称为手征对称。但在量子化的情况下，这样的对称性就会被打破。
实验中，有一类特殊的材料被称为外尔半金属，其中的准粒子（外尔费米子）与自由空间的外尔费米子类似，是一类手征费米子，在固体中会成对出现。因此，这种特殊材料可以被看成是装满了左、右手性粒子的盒子。在外加磁场下，该手征的对称性会被打破，从而产生手征反常。严格来说，手征反常描述了相对论费米子在量子化下产生的手征对称性破缺。输运实验中，在平行电场和磁场下，外尔半金属系统会产生沿着电磁场方向的手征磁电流，导致实验上出现可观测的负磁阻。
目前，该手征反常效应在诸多外尔半金属中被观察到：通过施加静态的电场和磁场，实现一个方向的静态电流。然而，至今为止，在交变电磁场下的动态手征反常还未有报道，而这种动态手征反常恰恰很好的反映了外尔半金属独特的电磁响应特性。
外尔半金属的电磁响应可以用轴向场描述，该场正比于电场与磁场的点乘。除了手征反常，诸如反常霍尔效应等其他外尔半金属的电磁响应都可以被该轴向场描述。如果可以实现动态的轴向场，就可以将外尔半金属的独特电磁响应推广到有限频率的电磁波，实现与光的相互作用。这就需要电场或者磁场中出现交流分量。
课题组的工作通过利用声子的内建电场与外加静磁场的结合，实现了动态手征反常。晶格震动产生的交流电场与外加磁场同时存在且平行时，可以产生动态轴向的手征磁电流，该电流的积累效应结合体系中强电声耦合，从而对声子产生可观测的影响。这一理论构想最先由研究员戴希提出。通过声子探测技术，比如拉曼光谱、红外光谱，研究人员首先确定了零场外尔半金属砷化铌中的声子行为（零场红外光谱由王楠林教授提供支持）。其中有一类声子，在零场下的特殊方向不能被红外光谱探测到。先前南京大学教授戴耀明曾发现此类声子具有很强的电声相互作用，这使得动态手征反常有机会在这一体系中被观察到。
通过红外磁光谱技术，研究人员观察到这一红外不可见的声子，随着磁场增加逐渐变为红外可见声子，与动态手征反常的预言一致。研究人员进而采用了一系列不同角度、不同构型的实验，用经典的控制变量法判断出磁场产生的声子荷与磁场方向一致，因此只能与沿相同方向偏振的电磁波相互作用。类似的现象在狄拉克半金属砷化镉中也被观察到，并且具有相同的磁场变化趋势。该项研究成果首次在外尔半金属中实现了动态手征反常，为研究这类材料的电磁响应特性和未来应用提供了实验基础。
砷化铌的动态手征反常示意图
该工作由复旦大学物理学系修发贤、晏湖根课题组，南京大学施毅课题组，北京大学张亿、王楠林课题组，和中国科学院物理研究所陈小龙课题组合作完成。陈小龙老师课题组李治林博士提供了高质量的砷化铌晶体，使得磁光的研究成为可能。工作获得了复旦大学物理学系、应用表面物理国家重点实验室、国家重点研发计划、基金委优秀青年基金、重点项目和面上项目的支持与资助。论文的第一单位为复旦大学物理学系，修发贤、晏湖根和施毅为通讯作者，袁翔、张亿、张成为共同第一作者。
修发贤课题组主要从事拓扑材料的生长、量子调控以及新型低维原子晶体材料的器件研究。在狄拉克材料方面致力于新型量子材料的生长、物性测量以及量子器件的制备与表征。在新型低维原子晶体材料的器件方面主要研究其电学、磁学和光电特性。
