三維拓撲狄拉克/外爾半金屬是近期凝聚态物理和材料科學領域的一個新的研究熱點，并得到了廣泛的關注。這些材料的低能激發集中在動量空間的一些狄拉克/外爾點附近， 與相對論高能物理中的狄拉克/外爾費米子非常相似。
最近，量子材料中心的王楠林研究組對ZrTe5單晶進行了紅外磁光光譜研究。在此之前，針對ZrTe5的輸運和角分辨光電子能譜測量表明該材料屬于三維狄拉克半金屬。在零場下，紅外光譜的測量發現其光電導在較寬的能量區間都表現出随頻率線性增加的行為，而這種現象恰恰是三維狄拉克費米子的标志性行為。這個研究結果已經被發表在《物理評論B》92, 075107 (2015)。當對樣品加磁場時，從反射光譜上可以明确的觀察到朗道能級之間的躍遷。這些躍遷的能量依次滿足1:1+√2:√2+√3:…的比例，并且低場時與場強的平方根成正比，這些都是無質量狄拉克費米子的有力證據。另外，研究表明隻需要加較低的磁場（低于1特斯拉）就足以驅動樣品到達量子極限，說明ZrTe5是一個非常幹淨的體系，是研究三維狄拉克費米子的理想材料。最重要的是朗道能級的劈裂可以直接從反射譜上觀察到，而這種劈裂在二維狄拉克費米子材料（例如石墨烯）中從來沒有探測到過。量子材料科學中心的王垡理論小組建立了相關理論模型對實驗數據進行了分析，他們發現在現有的磁光實驗配置中，沿着晶軸b方向的塞曼場會将ZrTe5單晶轉變為“線節點”半金屬。而且理論計算表明，如果沿着晶軸c方向加磁場，那麼該材料中的狄拉克點會劈裂成兩個外爾點，這為用磁場操控和實現外爾半金屬留下了足夠的可能。
InAs/GaSb邊緣态螺旋拉廷格液體呈現的孤子型元激發的示意圖。
該研究是第一個針對三維狄拉克費米子材料的紅外磁光測量，已發表在《物理評論快報》115, 176404 (2015)，并被選為編輯推薦文章。王楠林教授的博士後陳榮豔和已經畢業的學生谌志國博士是該文章的并列第一作者。樣品是由美國布魯克海文國家實驗室的顧根大教授提供的。王楠林教授和王垡教授是該文章的共同通訊作者。
上述研究得到國家自然科學基金、中國科技部973項目以及量子物質科學協同創新中心等項目經費的資助。
