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《物理评论》125周年论文精选:中科院物理所“在固体中发现外尔费米子”上榜
《物理评论》125周年论文精选:中科院物理所“在固体中发现外尔费米子”上榜
1/5/2018 11:20:36 AM | 浏览:557 | 评论:0

任何一个对物理学前沿有所了解的人都知道Physical Review(《物理评论》)系列的期刊在物理学发展中的地位,尤其是Physical Review Letter,简称PRL,则更是很多物理人的梦想。而这个系列期刊的历史则可追溯至1893年,那年美国物理学家Edward Nichols在康奈尔大学创办了Physical Review期刊,主要发表物理学所有领域的独创研究和科学综述。1913年时美国物理学会(APS)接管了Physical Review期刊,以后它就逐渐成为物理学史上举足轻重的科学期刊。2018年则是Physical Review系列期刊的鼻祖Physical Review期刊创刊125周年的日子,美国物理学会为了纪念这一里程碑,从Physical Review系列期刊的论文历史中选出了49篇对物理学有重大意义的论文,和APS历史上有意义的事件一起列出了一个时间表,回顾整个物理学史上很多意义非凡的时刻。

《物理评论》125周年论文精选:中科院物理所“在固体中发现外尔费米子”上榜

2015年中科院物理所团队在固体中发现外尔费米子的工作入选了这49篇经典论文,也是国内唯一一篇大多数成果都已经获得诺贝尔奖,下面我们一起简单回顾一下物理学史上一些重要的时刻。(点击原文链接查看完整时间表)

1913年,密立根油滴实验测定电子电荷,密立根创造性地提出油滴实验测定电子电荷的大小,用在电场和重力场中运动的带电油滴进行实验,发现所有油滴所带的电量均是某一最小电荷的整数倍,该最小电荷值就是电子电荷,并因此获得1923年的诺贝尔物理学奖。

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1923年,康普顿以《X射线受轻元素散射的量子理论》为题发表在Physical Review上的一篇文章提出了被称为康普顿散射的现象,展示了光的粒子特性,因此获得1927年诺贝尔物理学奖。

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1933年,安德森发现正电子,开辟了反物质的研究领域,证实了狄拉克的理论预言,并因此获得1936年的诺贝尔物理学奖。

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1935年,爱因斯坦、波多尔斯基和罗森提出一个佯谬来论证量子力学的不完备性,即著名的EPR佯谬,但实验中证实了量子力学的正确性,并导致了量子信息学的诞生。

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1954年,杨振宁和米尔斯提出非阿贝尔规范场论,即杨-米尔斯理论,为标准模型的创建打下基础。

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1956年,宇称不守恒被证实,杨振宁和李政道因此获得1957年的诺贝尔物理学奖。

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1957年,巴丁、库珀和施里弗提出BCS理论解释了近50年悬而未决的超导现象,并因此获得1972年诺贝尔物理学奖。

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1964年,Hohenberger, Kohn和Sham提出了密度泛函理论,是如今非常重要的计算模拟方法,Kohn因此获得1998年诺贝尔化学奖。

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1964年,Englert和Higgs预言了现在称为“上帝粒子”的Higgs玻色子,解释了质量的起源,2013年Higgs获得诺贝尔物理学奖。

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1971年威尔逊提出重整化群理论,如今已经是理论物理中重要的理论工具,并因而获得了1982年的诺贝尔物理奖。

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1972年,He-3超流被发现,三人因此获得1996年诺贝尔奖。

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1977年,Thouless等人提出了拓扑相和拓扑相变的概念,并因此获得2016年诺贝尔物理学奖。

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1980年,量子霍尔效应被发现,冯·克利青因此获得1985年诺贝尔物理学奖。

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1984年,准晶被发现,谢赫特曼因此获得2011年诺贝尔化学奖。

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1985年,朱棣文等人发明了激光冷却原子技术,并获得1997年诺贝尔物理学奖。

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1987年,朱经武等人发现钇钡铜氧(YBCO)超导体具有93K的超导转变温度。

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1988年,Fert和Grünberg独立发现巨磁阻效应,并获得2007年诺贝尔物理学奖。

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2007年,傅亮和Kane发表理论文章预言三维拓扑绝缘体的存在。

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2016年,LIGO发现引力波,并因此获得2017年诺贝尔物理学奖。

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2015年,中科院物理所团队在固体中发现外尔费米子。

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我们来回顾一下Weyl费米子发现的经过。1928年,狄拉克提出了描述相对论电子态的狄拉克方程。1929年,德国科学家外尔(Hermann Weyl)指出,当质量为零时,狄拉克方程描述的是一对重叠的具有相反手性的新粒子,即外尔费米子。这种神奇的粒子带有电荷,却不具有质量。2015年,中国科学院物理研究所翁红明、方忠、戴希及其合作者,通过第一性原理计算,首次理论预言TaAs家族材料是外尔半金属。随后,中科院物理所陈根富小组首先制备出了高质量TaAs晶体,丁洪小组利用上海光源“梦之线”ARPES实验站立即对TaAs(001)表面电子态进行了高精度测量,通过与翁红明、戴希、方忠紧密合作,结合第一性原理计算结果,证实了表面费米弧的存在,并且确定了费米弧与外尔点在(001)表面投影的连接方式,提供了TaAs材料外尔电子态的直接实验证据。随后,丁洪小组及其合作者进一步测量了TaAs体电子态,直接观测到外尔点及其附近的三维狄拉克锥,提供了进一步的实验证据。与此同时,陈根富小组通过精确的电输运测量,首次在TaAs单晶中观测到了由手性反常导致的负磁阻效应,进一步从输运的角度证明了外尔费米子的存在。至此以上一系列工作是自1929年外尔费米子被提出以来,首次在凝聚态物质中证实存在外尔费米子态,具有非常重要的科学意义。

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外尔费米子科学家团队,从左往右依次为 戴希、方忠、翁红明、钱天、丁洪、陈根富

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Weyl半金属中Weyl锥的示意图和实验观测到的费米弧

“外尔费米子发现”也曾入选2015年英国《物理世界》“2015年十大突破”和美国物理学会(APS)评选的2015年物理学标志性进展。具有“手性”外尔费米子的半金属能实现低能耗的电子传输,有望解决当前电子器件小型化和多功能化所面临的能耗问题,同时外尔费米子具有拓扑稳定性,可以用来实现高容错的拓扑量子计算。

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