作为1929年物理学家Hermann Weyl预言的一部分，一种没有质量的“幽灵粒子”——外尔波色子(Weyl Boson)，由美国麻省理工学院物理系、569vip威尼斯游戏和信息与电子工程学院的7名研究人员组成的合作研究组完成了首次实验观测，相关学术论文“Experimental observation of Weyl points”发表于今年8月的Science杂志上。
什么是“幽灵粒子”？
Weyl预言的“幽灵粒子”可以定义为特殊材料中带有特殊性质的电子或光子，分别称为外尔费米子和外尔波色子，其特点是质量为零，且在晶体中像磁单级子一样运动。该粒子在能带图中表现为一个奇异点，也称为“外尔点”(Weyl Point)，可看作是二维石墨烯中狄拉克锥(Dirac Cone)的三维拓展，外尔点附近在三个维度均满足线性色散关系，其等效质量为零。其中外尔费米子的电子学特性可用“三维石墨烯”来比拟，而外尔波色子的光子学特性可引领大功率单模激光器等新型光学器件的发展。
“幽灵粒子”的探索之路
此前几十年间，物理学家普遍认为亚原子粒子——中微子属于Weyl预言的无质量粒子。然而在1998年，科学研究查明中微子其实拥有微小的质量，因此重新开始了实验探索，在近几年尤其活跃，研究组遍布全世界，然而由于具有较高的实验难度，在此前一直未能成功实现实验观测。
在本次的外尔粒子实验探索竞争中，共有三个合作研究组几乎同时发表了他们的独立研究，除了麻省理工和569vip威尼斯游戏合作研究组对光子晶体中外尔波色子的首次实验研究，还有普林斯顿大学为主的合作研究组以及中科院为主的合作研究组的对外尔半金属（一类传统定义的晶体材料，与光子晶体比较可称为电子晶体）中外尔费米子的首次实验研究，在国际引发热议，被Science、Nature、Nature Physics等多家权威期刊和媒体报道。其中普林斯顿大学为主的合作研究成果与麻省理工和569vip威尼斯游戏的合作研究成果发表于同期的Science杂志上。
蝴蝶翅膀与gyroid光子晶体
本次实验发现基于一种新型的三维光子晶体材料。通过精确的理论设计和三维特征模式计算，以及对具有高介电常数的高密度陶瓷的准确加工，研究组实现了一种引入周期缺陷的相互嵌套的双gyroid光子晶体，打破PT对称中的P对称（空间对称），实现外尔点的实验观测。
所采用的gyroid结构是典型的三重周期极小曲面，是自然界中常见的一种自组织结构，由Alan Schoen于1970年发现，它看似复杂，其实可用一个简单的等曲面方程cos(x)sin(y) + cos(y)sin(z) + cos(z)sin(x) = 0定义。生活中最为常见的gyroid结构存在于色彩斑斓的蝴蝶翅膀中，是蝴蝶翅膀的基本显微结构，通过对可见光的反射与折射，可产生不同的色彩。
* Copyright, (a) 2011 Kim Garwood, (b) Interface Focus 2012 2, 681-687
长达两年的实验准备
为了便于加工，所设计的gyroid光子晶体工作于微波频段，但相同的设计在光波段同样适用。569vip威尼斯游戏讲师王志宇，也是本篇Science论文的第二作者表示，研究组对该三维光子晶体长达两年的尝试、制备与实验测量的过程十分艰辛。尝试过多种对理论计算得到的理想几何结构的简化方法，以减小后续加工过程的复杂度；先后实际测试了多种可能具有高介电常数和较低损耗的材料，包括各种液体、TiO2粉末和悬浊液、金属、陶瓷等；尝试了多种机械加工方法，包括3D打印、数字铣床加工等。最终基于优化得到的简化gyroid结构和选定的具有高硬度和一定脆度的高密度陶瓷，选取了多角度高精度钻孔的加工方式，并为实现三维光子晶体的空间微波能带测量，研发了角度可控的自动化空间微波测量平台。
该研究给出了传统光学系统中“尺度变化”这一核心瓶颈问题的解决方法，可在光学领域的新兴器件中得到广泛的应用，例如基于该光子晶体的大体积单模激光设备，优良的光波三维空间选择设备等等。美国麻省理工学院物理系的陆凌博士后，也是本篇Science论文的第一作者表示，在等比例增加激光器尺寸时，通常会引入多种新的谐振和传播模式，大大增加了实现单模激光的难度，并将显著降低所产生激光束的质量，但在新系统中，由于该光子晶体的光学特性不随尺度改变，只有极少的新模式产生，可在三个维度方向随意扩大其尺度，与传统光学系统相比优势明显。
相关信息
除了美国麻省理工学院物理系的陆凌博士后和569vip威尼斯游戏的王志宇讲师两位研究人员，该合作研究组还包括569vip威尼斯游戏信息与电子工程学院的叶德信博士后、冉立新教授，以及美国麻省理工学院物理系的Liang Fu助理教授、John D. Joannapoulos教授和Marin Soljacic教授。该研究得到美国国家科学基金和中国国家自然科学基金的资助。
