来源：日本理化学研究所（RIKEN）；电子科技大学太赫兹科学技术研究中心 胡家俊 编译

    由日本理化学研究所新兴物质科学中心（CEMS）强相关量子输运实验室领导的一个国际研究小组在世界上首次展示了一种理想的韦尔半金属，标志着量子材料领域十年之久的难题取得了突破性进展。

    韦尔费米子是晶体中电子的集体量子激发。据预测，它们将显示出奇异的电磁特性，引起全世界的强烈兴趣。

    然而，尽管对数以千计的晶体进行了仔细研究，但迄今为止，大多数韦尔材料的电传导都是由不受欢迎的琐碎电子控制的，从而掩盖了韦尔费米子。最后，研究人员终于合成了一种材料，这种材料只包含一对韦尔费米子，没有无关的电子状态。

    这项发表在《自然》（Nature）杂志上的研究成果是由 CEMS、理化学研究所跨学科理论与数学科学项目（iTHEMS）、东京大学量子相电子学中心（QPEC）、东北大学材料研究所和新加坡南洋理工大学历时四年合作完成的。

    研究人员从拓扑半导体中设计出了一种韦尔半金属，重新审视了 2011 年首次在理论上提出、但随后被放弃并在很大程度上被社会遗忘的策略。

    半导体具有很小的 “能隙”，可以在绝缘态和导电态之间切换，是商用晶体管的基础。半金属可被视为半导体的一种极端极限，其 “能隙 ”为零，处于绝缘体和金属之间的临界点。

    这种极端情况在实际材料中仍然极为罕见。石墨烯也许是最著名的例子，它在摩尔纹物理学和柔性电子学中都有应用。

    本次研究使用的拓扑半导体是碲化铋（Bi₂Te₃）。研究人员以高度可控的方式调整了这种材料的化学成分，用铬取代了铋，形成了 (Cr,Bi)₂Te₃。

    该研究的共同第一作者、博士生 Ryota Watanabe 说："我们起初对 (Cr,Bi)₂Te₃ 中的巨大反常霍尔效应 (AHE) 感到好奇，这标志着拓扑半导体之外的新物理学。

    iTHEMS 的 Ching-Kai Chi 是这项工作的共同作者，他指出："与以往的 韦尔材料不同，(Cr,Bi)₂Te₃ 独特的简单电子结构使我们能够用精确的理论来定量解释我们的实验。这样，我们就能将大 AHE 追溯到出现的韦尔费米子"。

    第一作者、CEMS 公司的Ilya Belopolski回忆说，这一发现令他本人和世界各地的同事都感到震惊。

    “不同的团体早已建立了合成这种韦尔半金属所需的关键理论和实验见解。但我们似乎没有相互沟通，因此错过了这一发现。现在回想起来，这一发现本应早在近十年前就出现"。

    至于理化学研究所为何最终会产生这样的洞察力，Belopolski认为，这要归功于 CEMS 卓越的研究人员、慷慨的研究经费和充满活力的学术氛围的独特组合。

    “多年来，美国、中国和整个欧洲都有许多优秀的研究小组在从事相关课题的研究。这一发现之所以能在这里实现，很可能是因为理化学研究所具有的高度创造性和协作环境"。

    其中一个潜在应用是在太赫兹（THz）设备中。半导体只能吸收能量大于其能隙的光子，这通常排除了太赫兹频率范围。

    这项研究的共同作者、博士后研究员Yuki Sato说：“与半导体不同，半金属具有消失能隙，因此它们可以吸收低频光，直到太赫兹频率。我们目前有兴趣将我们理想的韦尔半金属应用于太赫兹光的产生和探测。”

    该团队预计将进一步研究高性能传感器、低功耗电子器件和新型光电器件。博士后研究员Lixuan Tai在这项工作即将发表时加入了强相关量子输运实验室，他对这种新的物质量子相位所带来的近期研究表示兴奋。

    “加入这个研究团队是一个特别令人兴奋的时刻，因为经过这么多年之后，我们终于拥有了真正的韦尔半金属，这必将会带来许多令人兴奋的突破"。

    更多信息：Ilya Belopolski et al, Synthesis of a semimetallic Weyl ferromagnet with point Fermi surface, Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-024-08330-y