近年來，伴随着凝聚态能帶拓撲理論的發展，大量的新奇粒子在新型量子材料中得以實現，其中一個典型的例子是“外爾費米子”（Weyl fermion）。外爾費米子的概念最早在高能物理中提出。近年來研究人員發現在被稱為“外爾半金屬”（Weyl semimetal）的拓撲材料中，其低能準粒子激發與外爾費米子滿足相同的物理規律。有意思的是，高能物理中必須滿足的洛倫茲不變性，在凝聚态物理中卻不需要遵守。因此，在固體材料中有可能存在不滿足洛倫茲不變性的外爾費米子。為了與保持洛倫茲不變性的第一類外爾費米子區别，這類新型的外爾費米子被稱為“第二類外爾費米子”，相應的拓撲材料稱為“第二類外爾半金屬”。第二類外爾半金屬具有沿某一方向嚴重傾斜的狄拉克錐（破壞洛倫茲不變性）和受拓撲保護的非閉合費米弧表面态，以及理論預言的各向異性的磁輸運性質等新奇量子現象，因此第二類外爾費米子自從被理論預言後，就引起了研究人員的廣泛關注。
最有希望實現第二類Weyl費米子的一個材料體系是T_d相的MoTe_2。高質量的MoTe_2單晶，是實驗成功的基礎，實驗測量所需的大面積、高質量的單晶樣品的制備在清華-富士康納米中心完成。研究者結合角分辨光電子能譜(ARPES)和掃描隧道譜(STS)兩種互補的表面敏感實驗技術，結合第一性原理計算結果，驗證了MoTe_2作為第二類外爾半金屬的基本特征－嚴重傾斜的來自于體态的狄拉克錐和來自于拓撲表面态的非閉合費米弧。由于MoTe_2内的外爾點存在于材料的費米能以上，且Weyl點附近大量體能帶貢獻的态密度的包裹，精細的費米弧表面态分布在空穴和電子能帶之間的微小能隙裡，使得傳統觀測第一類外爾點和費米弧的手段不再奏效。周樹雲研究組結合了自主搭建的四倍頻的6.3eV激光光源（對體材料性質敏感）和同步輻射的低能高通量光源（對表面态電子敏感）的角分辨光電子能譜，區分出了體能帶和表面态的貢獻并鎖定了拓撲表面态的位置和色散，成功觀測到平庸表面态和空穴體能帶間微小能隙中的非閉合費米弧；進一步結合陳曦研究組的掃描隧道譜測量以及張海軍的第一性原理計算，确認了該非閉合弧線正是拓撲費米弧。該工作首次直接從實驗上完整地證實了T_d相的MoTe_2是第二類Weyl半金屬，不僅為凝聚态中實現标準模型奇異粒子建立了新的範本，也為層狀材料實現拓撲電子學器件開辟了新的體系。
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| 圖2: ARPES、STS實驗測量結合第一性原理計算得到的拓撲表面态 |
該成果以“Experimental observation of topological Fermi arcs in type-II Weyl semimetal MoTe_2”為題于9月5日在線發表在Nature Physics上。清華大學物理系的博士生鄧可、萬國良和鄧鵬同學為論文共同第一作者，中心成員清華大學物理系的周樹雲副教授、陳曦教授和清華-富士康納米科技中心的吳揚博士為該文的共同通訊作者，南京大學的張海軍教授提供了理論計算，中心成員清華大學高等研究院的姚宏研究員和物理系段文晖研究組也為該項研究提供了理論支持。該課題是在國家自然科學基金委、國家科技部、清華大學自主研發項目和清華-富士康納米科技研究中心經費支持下完成。
文章全文鍊接在http://dx.doi.org/10.1038/nphys3871
