香港城大科學家首度發現非配對的「外爾磁單極子」

就像磁鐵總是有南極和北極一樣，凝聚態物質中一種被稱為「外爾費米子」（Weyl Fermions）的特殊準粒子，總是以成對的方式出現，並具有相反的手性（chirality）。長久以來，科學界都沒有任何實驗報告證明凝聚態物質中存在非配對的外爾點（Weyl point）。直到最近，香港城市大學（香港城大）一位物理學家終於在一種特殊的單晶固體中，首次觀察到非配對的「外爾磁單極子」（unpaired Weyl magnetic monopole）」，在相關研究領域取得重大突破。

今次研究由香港城大物理學系助理教授馬均章博士，以及瑞士洛桑聯邦理工學院（École Polytechnique Fédérale de Lausanne, EPFL）和保羅謝爾研究所（Paul Scherrer Institute）的科學家共同領導。闡述研究成果的論文已刊載於著名的學術期刊《自然通訊》（Nature Communications），標題為「Observation of a singular Weyl point surrounded by charged nodal walls in PtGa」（在鉑鎵內實驗觀察到一個被帶電結點牆包圍的非配對外爾磁單極子）。

馬均章博士說：「我們是第一個在實驗中成功觀察，並記錄到非配對的外爾磁單極子的研究團隊。今次的發現，為日後尋找固體中非配對的外爾磁單極子的體態拓撲特性，開闢了一條新的路徑，這將會促進對基礎拓撲物理學的理解，以及外爾半金屬在自旋電子學中的應用。」

外爾點：與磁單極子相似的特性

在現實世界中，一塊磁鐵必會同時擁有南極和北極。雖然現代物理學理論認為，只有一個磁極的「磁單極子」（magnetic monopole）的量子基本單位應該存在，但過去一直沒有任何實驗或觀測，證明磁單極子的存在。故尋找磁單極子一直是現代物理學界所追尋的。

情況相近的是，在凝聚態物質半金屬晶體中的外爾點（Weyl points）也具有與磁單極子類似的性質。馬博士解釋︰「因此，凝聚態物質中的外爾點也被稱為外爾磁單極子。」

根據許多物理學家的看法，外爾點與磁單極子相類似。他們普遍認為，由於眾所周知的「Nielsen-Ninomiya no-go theorem」（尼爾森-尼諾米亞不可行定理），固體中非配對（unpaired）的外爾磁單極子不可能單獨存在。因此，人們認為在半金屬中的外爾磁單極子在三維動量空間中，應該總是成對出現並具有相反的電荷或者手性。但是，外爾點還有一個不同於磁單極子的特性，即外爾點在單晶固體表面的投影，應該總是通過一種叫做「費米弧（Fermi arcs）」的導電狀態所連接起來。費米弧就像一條表面電子通道，電子可以與手性相反的外爾點之間通過它來傳輸。

未有成功實驗先例

科學家過去曾經在理論方面作出相當的努力，致力於尋找超越「Nielsen-Ninomiya no-go theorem」定理的非配對外爾磁單極子，但一直沒有成功的實驗紀錄。這令到許多科學家認為，這種「非配對物態」很難在單晶固體中存在。

但馬博士有不同的看法。他在龐大的科學數據庫中，搜索了數以千計的化合物，最終他發現其中有數十種化合物，有很大可能存在著非配對的外爾磁單極子。他的想法得到了理論物理學家於計算上的實證支持，包括專長相關理論的洛桑聯邦理工學院吳泉生博士以及Oleg Yazyev教授。其後，由馬博士和保羅謝爾研究所史明教授領導的科研團隊在研究所的「瑞士同步輻射光源」（Swiss Light Source）研究設施展開了一系列的光電子能譜實驗，成功驗證了他們初步的想法。

研究團隊結合了「角分辨光電子能譜（angle-resolved photoemission spectroscopy, ARPES）實驗」以及密度泛函理論計算，首次發現了非配對的外爾磁單極子可以在多種化合物中出現。在研究半金屬晶體鉑鎵（PtGa）時，研究團隊更在晶體的動量空間中，確定了多達37個外爾磁單極子，並發現了有關系統擁有奇數的37個外爾點。這些外爾點不是帶著+1電荷（25個），就是帶著-1電荷（12個），令它們不能實現完全配對。

研究人員亦首次通過實驗，證明了非配對的外爾磁單極子，在固體材料的動量空間內，不需要「表面費米弧」來連接他們的表面投影。非配對的外爾點的幾何構型，與正常的外爾半金屬截然不同，故預期這種新型物態的特性會有重大的變化，將可成為一個新的研究方向。

日後研究新方向

馬博士認為，今次有關非配對的外爾磁單極子的突破性發現，可以為凝聚態物質中的外爾磁單極子的基礎物理學，提供新的見解。此外，外爾磁單極子的特殊性質，包括高電子遷移率、對外界磁場的特殊反應和低發熱率，令這物態有機會在未來的神經形態量子計算和「自旋電子器件」中，大派用場。

馬均章博士和吳泉生博士是今次研究論文的第一作者。馬博士與瑞士洛桑聯邦理工學院的Yazyev教授和保羅謝爾研究所的史明教授，同時是論文的通訊作者。為實驗提供單晶固體的合作學者包括德國馬克斯普朗克固體化學物理研究所Claudia Felser教授和Kaustuv Manna博士，以及中國科學院強磁場科學中心的熊奕敏教授和宋猛先生。其他合作的學者包括中國科學院物理研究所丁洪教授和錢天教授。

今次的研究得到了多間大學及機構的支持，包括香港城大、瑞士國家科學基金會、中瑞科技合作項目基金、歐盟「地平線2020」科研創新計劃、Marie Skłodowska-Curie Actions、歐洲研究委員會高級資助經費項目、中國科學技術部、國家自然科學基金委員會、中科院以及德國研究聯合會（German Research Foundation, DFG）。

https://www.cityu.edu.hk/zh-hk/research/stories/2021/09/02/cityu-scientist-hunted-down-first-unpaired-weyl-magnetic-monopole