中外物理學(xué)家的科學(xué)競賽

——“外爾費米子”的發(fā)現(xiàn)之爭

■本報記者 甘曉

外爾費米子，是當(dāng)今凝聚態(tài)物理最前沿的研究對象之一。

7月18日，一則消息引起中科院物理所研究員戴希的注意。消息稱，普林斯頓大學(xué)物理學(xué)家扎伊德·哈桑領(lǐng)導(dǎo)的團隊首次通過實驗，在外爾半金屬中造出了外爾費米子。

事實上，在戴希看來，是以中科院物理所為主的中國科學(xué)家首次通過理論計算發(fā)現(xiàn)這種半金屬，也是中國科學(xué)家首次通過角分辨光電子能譜發(fā)現(xiàn)了外爾費米子的存在。

戴希在這條消息下的評論中，認為這場風(fēng)波屬于“科學(xué)界的競爭”，是尋找“外爾費米子”的科學(xué)競賽。

實驗：激烈的國際競爭

在物理學(xué)界，一個通過理論推導(dǎo)和公式推算出的結(jié)論必須通過實驗驗證才能被承認。中科院物理所副研究員翁紅明告訴《中國科學(xué)報》記者：“沒有實驗證實，便不能稱之為‘發(fā)現(xiàn)’。”

提到“外爾費米子”理論，則要追溯到1928年，狄拉克提出描述相對論電子態(tài)的狄拉克方程。1929年，德國科學(xué)家外爾（H. Weyl）指出，狄拉克方程質(zhì)量為零的解描述的是一對重疊在一起的具有相反手性的新粒子，這就是“外爾費米子”。

但是，80多年以來，科學(xué)家一直沒有在實驗中“發(fā)現(xiàn)”外爾費米子。直到2015年1月初，依據(jù)中科院物理所研究員方忠?guī)ьI(lǐng)的研究組的理論預(yù)言和材料計算結(jié)果，中科院物理所陳根富小組制備出了具有原子級平整表面的大塊砷化鉭（TaAs）晶體，中科院物理所丁洪小組利用他們不久前在上海光源建成的“夢之線”角分辨光電子能譜實驗站上對TaAs晶體進行測量，首次觀測到外爾費米子的特征性現(xiàn)象——表面費米弧。

該實驗小組成員錢天告訴《中國科學(xué)報》記者：“通過‘夢之線’探測從材料中激發(fā)出來的電子的能量和動量，就能反推出晶體材料的電子結(jié)構(gòu)。”只要觀測到費米弧，就能斷定外爾費米子的存在，即從實驗上“發(fā)現(xiàn)”了這種奇特的粒子。

2月16日，這個實驗小組在物理學(xué)界知名的學(xué)術(shù)交流網(wǎng)站arXiv上，公開了費米弧的發(fā)現(xiàn)，宣布外爾費米子被發(fā)現(xiàn)，中國科學(xué)家領(lǐng)銜的團隊被認為揭開了80多年來的世界之謎。

“arXiv網(wǎng)站是物理學(xué)界影響力非常大的學(xué)術(shù)交流網(wǎng)站，其張貼文章的高質(zhì)量使這家網(wǎng)站在谷歌學(xué)術(shù)評價上的影響因子甚至超過了許多傳統(tǒng)學(xué)術(shù)期刊。”翁紅明說。

幾乎同時，美國麻省理工學(xué)院以及普林斯頓大學(xué)教授哈桑的兩個實驗小組也在arXiv網(wǎng)站上公開了類似的研究成果。

2月17日，丁洪研究小組把這項學(xué)術(shù)成果提交給了《科學(xué)》雜志。然而，7月16日，《科學(xué)》雜志在線刊登了哈桑小組和麻省理工學(xué)院的研究成果，而中國科學(xué)家的論文被意外拒稿。哈桑在電子郵件中回復(fù)《中國科學(xué)報》記者：“我們將實驗成果向《科學(xué)》雜志投稿，審稿中沒有收到修改意見。”

值得慶幸的是，目前該論文在未作修改的情況下被在物理學(xué)界極具影響力的《物理評論X》接受發(fā)表。隨后，丁洪研究小組又在瑞士光源觀測到TaAs中的外爾點及其附近的四維外爾錐，這是外爾半金屬的另一個根本特性，該研究成果也即將在國際知名刊物上發(fā)表。

理論：中國人的原創(chuàng)

在理論上，中國科學(xué)家的原創(chuàng)工作更毋庸置疑。正是中國科學(xué)家在拓撲半金屬領(lǐng)域中開創(chuàng)性的理論工作，為外爾費米子的產(chǎn)生和觀測提供了新的思路和途徑。

根據(jù)此前的理論研究，外爾費米子可能在“外爾半金屬”中被觀察到，科學(xué)家一直致力于尋找外爾半金屬。

2011年，南京大學(xué)物理學(xué)院教授萬賢綱與幾名國際研究者合作，通過理論計算預(yù)言一種復(fù)雜磁結(jié)構(gòu)的銥氧化物可能是外爾半金屬。同年，中科院物理所方忠、戴希團隊也預(yù)言鐵磁尖晶石HgCr2Se4也可能是外爾半金屬。但是由于磁性材料的復(fù)雜性，這兩個理論預(yù)言的實驗驗證都變得非常困難。

為此，長期從事理論計算的中科院物理研究所方忠研究組一直想尋找一種非磁外爾半金屬。2012年、2013年兩年里，他們及合作者先后從理論上預(yù)言鈉三鉍晶體（Na3Bi）和三砷化二鉻晶體（Cd3As2）是狄拉克半金屬，里面存在三維無質(zhì)量狄拉克電子，由一對重疊在一起的具有相反手性的“外爾費米子”構(gòu)成。

2014年，他們跟實驗組合作，先后發(fā)表一篇《科學(xué)》和《自然—材料》論文，證實了理論預(yù)言，被稱為首次發(fā)現(xiàn)“三維版本的石墨烯”。這為實現(xiàn)相互分離的手性外爾費米子邁出了關(guān)鍵性的一步，而且使拓撲半金屬領(lǐng)域的實驗研究成為可能，極大推動了拓撲半金屬領(lǐng)域的進展。

該理論團隊成員翁紅明從發(fā)表于1965年的一篇實驗文獻中受到啟發(fā)，并通過第一性原理計算，初步認定砷化鉭（TaAs）晶體等同結(jié)構(gòu)家族材料可能是外爾半金屬。這類材料能夠合成，并且沒有磁性，打破了中心對稱，是實驗制備、檢測都非常便捷的絕佳材料。

經(jīng)過跟戴希、方忠等合作者進行了數(shù)月的周密計算和數(shù)學(xué)證明后，他們更加確認這一結(jié)論。2014年12月31日，他們將此理論預(yù)言在arXiv網(wǎng)站率先向全世界公開。該成果立即受到同行的關(guān)注，包括中科院物理所、北京大學(xué)、普林斯頓大學(xué)等在內(nèi)的國際上眾多實驗小組都投入到了競賽般的實驗驗證工作中。這項理論成果于今年3月17日在《物理評論X》雜志正式發(fā)表。

1月5日，中科院物理所的研究團隊收到了來自哈桑小組的一封信。信中告知，他們也有類似的工作，并也將當(dāng)時尚未發(fā)表的論文張貼在arXiv網(wǎng)站上。

哈桑給《中國科學(xué)報》記者的回信中，強調(diào)了這篇論文的重要性，并稱“這篇論文于2014年11月提交給《自然—通訊》雜志，比中國科學(xué)家的結(jié)果早很多”。

記者調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，這篇論文在2015年4月30日才被期刊正式接收，最終在2015年6月12日刊發(fā)。這已經(jīng)是在中科院物理所團隊的工作發(fā)表近3個月之后。翁紅明表示：“哈桑小組在這篇文章中使用了我參與開發(fā)的計算軟件包，并引用了以我為第一作者于2009年發(fā)表的一篇文章。”

在一名不愿透露姓名的該領(lǐng)域研究者看來，哈桑的這篇理論預(yù)測文章，更像是“憑空冒出”，“甚至沒有給出嚴(yán)格的數(shù)學(xué)證明，僅僅是一個預(yù)言。”這名研究者表示，加上兩項研究在arXiv網(wǎng)站公布的先后順序，讓人不禁懷疑，哈桑小組的工作是否完全獨立。

思考：如何贏得全局

在國際同行眼中，中國科學(xué)家的這一發(fā)現(xiàn)，從材料理論預(yù)言到實驗觀測都是獨立完成。

早在今年2月底，三個小組公布發(fā)現(xiàn)外爾費米子時，美國加州大學(xué)伯克利分校Ashivin Vishwanath教授便在Journal Club for Condensed Matter Physics以“實驗觀測外爾半金屬”為主題，對三家獨立實驗工作進行評述。

今年7月16日，英國皇家化學(xué)協(xié)會的Chemistry World在獲知美國《科學(xué)》雜志接受了兩個美國小組的工作后，則作為第三方科學(xué)媒體報道了包括我國科學(xué)家的工作在內(nèi)的三家各自的獨立發(fā)現(xiàn)。

對于在基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域搶占先機，中國科學(xué)家也在這件事上有了新的體會。錢天指出，首先，要加快建設(shè)我國自己的大科學(xué)裝置。“我國大科學(xué)裝置起步較晚，十多年前，還處在購買商業(yè)設(shè)備開展測量的水平。”他說。

2014年8月，中科院啟動“率先行動”計劃，具體改革措施之一，便是啟動研究所分類改革，其中包括大科學(xué)中心。在這項改革的大框架下，于去年10月底建成的上海光源的“夢之線”在發(fā)現(xiàn)外爾費米子的實驗中立下汗馬功勞。目前，“夢之線”的各項技術(shù)指標(biāo)處于世界先進行列。

此外，也有學(xué)者指出，應(yīng)當(dāng)辦好我國自己優(yōu)秀的學(xué)術(shù)期刊，如果我國在相關(guān)領(lǐng)域也有影響力大的高水平學(xué)術(shù)期刊，中國科學(xué)家的學(xué)術(shù)成果發(fā)表便不再受制于人，雖然科學(xué)成果的重要性并不依賴于最終發(fā)表的期刊。

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