华东师范大学袁翔课题组近期通过自主研发的磁红外光谱装置，在拓扑固体材料LaAlSi发现了一类三维各向同性的Dirac费米子。自1928年Dirac方程提出以来，狄拉克费米子一直是描述具有相对论性质准粒子的核心理论框架。理论上，狄拉克费米子应具有各向同性的性质，即其费米速度在各个方向上相同。然而，当前在固体系统中观察到的狄拉克费米子大多表现出显著的各向异性，费米速度在不同方向上存在差异。通过定义各向同性因子发现，大多实验发现的Dirac/Weyl系统费米速度各向同性程度低于0.7，而LaAiSi中狄拉克费米子的各向同性因子高达0.997，逼近自由空间中狄拉克费米子“1”的各向同性。
图1 Dirac/Weyl体系中三维费米速度各向同性的实验数据比较
研究团队自主研发了一种多构型磁红外光谱装置，能够在磁场平行和垂直于晶面方向上进行测量，全面探测LaAlSi的电子结构。该技术创新使得研究人员能够从多个方向进行精确测量，从而通过追踪朗道能级跃迁随磁场的演化行为确认了LaAlSi中狄拉克费米子的各向同性特性，发现其费米速度在面内和面外方向上几乎相同。
图2 Faraday/Voigt构型下的磁红外光谱和各向同性朗道能级跃迁、Dirac能带
此外，实验还发现LaAlSi中零朗道能级跃迁(T0)的振子强度明显高于其他跃迁。尽管量子极限下的朗道跃迁强度会随着量子数的增大而逐渐减弱，而在LaAlSi中，T0跃迁的振子强度远超过理论预期。研究团队通过Kubo公式计算朗道能级并结合Drude-Lorentz分析，指出这一现象可能与朗道能级展宽效应以及与外尔等离子体的共振介电耦合有关，并从理论上复现了实验光谱。
图3 理论计算LaAlSi磁红外光谱同时考虑朗道能级展宽和介电耦合效应
该研究为进一步理解LaAlSi的电子结构提供了新的实验证据，也为探索拓扑固体材料中的狄拉克费米子特性提供了新的视角。相关工作发表于Communications physics，袁翔教授为通讯作者，博士后施泽平、吴闻彬，博士研究生王光毅为本文的共同第一作者。
论文详见：https://doi.org/10.1038/s42005-025-02288-7