近日，华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室袁翔课题组在三维拓扑绝缘体HfTe5中观测到一维外尔费米子。2022年9月29日，相关成果以《HfTe5中的拓扑Lifshitz相变和一维外尔模》（Topological Lifshitz transition and one-dimensional Weyl mode in HfTe5）为题在线发表在自然杂志子刊《自然·材料》（Nature Materials）。
手征费米子理论上可以存在于所有奇数维度，外尔费米子作为一种无质量手征费米子具有开放费米弧、三维外尔轨道、手征异常等奇异量子现象，已在三维外尔半金属中被广泛研究。教科书中的外尔方程总是从一维出发，再推广到我们熟悉的三维甚至更高维度。可见，一维外尔费米子，作为外尔费米子最低维度也是最简洁的形态，具有重要的研究价值，但尚未被发现。
在这一研究中，研究团队设计并实现了一系列由强磁场调控的拓扑量子相变，并在极强磁场下实现一维外尔费米子。外磁场下，三维拓扑绝缘体中准连续的电子态会量子化为一系列分立的朗道能级，仅在平行磁场方向上仍保持色散。随着磁场的增大，费米能级向低指数穿过朗道能级并在B0穿过第一朗道能级进入量子极限。当磁场继续增大，自旋极化的第零朗道能级在临界磁场B1接触后，持续关闭能隙，并且形成准一维的交叉从而相变为平庸半金属。进一步施加更强磁场，朗道能级简并度的增加使费米能级持续向低能移动，并在临界磁场B2发生拓扑Lifshitz相变，费米面变成分立的两段并各自包裹相反手性的“外尔锥”。其色散结构和自旋构型与三维Bloch能带形成的外尔点非常类似，被称为一维外尔模。
磁场诱导的一系列拓扑相变及一维外尔模型的形成
实验上，研究团队使用强磁场红外光谱技术，在HfTe5系统中实现了这一方案。强磁场傅里叶光谱技术，可以在强磁场下表征1meV-1eV大范围的准粒子激发并追踪其随磁场的变化，与现有的强磁场电/热/磁等实验技术实现互补。拓扑绝缘体HfTe5被广泛报道具有极低的量子极限，并且介于强弱拓扑绝缘体边界，这为实现准一维外尔费米子提供了重要的基础。通过结合35 T电阻磁体和傅里叶光谱技术，研究团队采集了该体系的强磁场远红外光谱。分析光谱发现，与第零朗道能级相关的光学跃迁在磁场大于21T后被反常抑制，这在强磁场红外光谱研究中极其罕见，光学活性通常不在量子极限后发生改变。这一现象很好地证明了拓扑Lifshitz相变与一维外尔费米子的出现。进一步，研究团队探索了一维外尔费米子的特殊电磁响应，发现了反比于频率并且发散的光学吸收曲线。同时，在脉冲强磁场电输运上，平行磁场方向出现一维外尔费米子手征异常导致的负磁阻现象，进一步论证了三维拓扑绝缘体HfTe5在强磁场下实现了一维外尔费米子的激发。
该工作通过朗道量子化“抹平”三维体系中垂直磁场面内的色散结构从而形成准一维能带，实现对一维外尔费米子奇异量子现象的探索。在经典图像中，其等价于通过强磁场回旋运动束缚从而实现沿磁场方向的一维准粒子。该工作为在凝聚态体系中寻找低维的准粒子提供了一种途径。
该课题由华东师范大学袁翔课题组，复旦大学张成课题组，中山大学严忠波课题组，南方科技大学卢海舟课题组与褚君浩院士团队合作完成。工作获得国家自然科学基金、上海市科委与华东师范大学启动经费和科技项目的支持与资助。相关实验获得华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室、极化材料与器件教育部重点实验室、物质表征中心等平台支持。论文以华东师范大学为第一单位，袁翔和张成是本文共同通讯作者，华东师范大学2022级博士生吴闻彬和2021级博士生施泽平为共同第一作者。