中外物理學家的科學競賽

——“外爾費米子”的發(fā)現之爭

■本報記者 甘曉

外爾費米子，是當今凝聚態(tài)物理最前沿的研究對象之一。

7月18日，一則消息引起中科院物理所研究員戴希的注意。消息稱，普林斯頓大學物理學家扎伊德·哈桑領導的團隊首次通過實驗，在外爾半金屬中造出了外爾費米子。

事實上，在戴希看來，是以中科院物理所為主的中國科學家首次通過理論計算發(fā)現這種半金屬，也是中國科學家首次通過角分辨光電子能譜發(fā)現了外爾費米子的存在。

戴希在這條消息下的評論中，認為這場風波屬于“科學界的競爭”，是尋找“外爾費米子”的科學競賽。

實驗：激烈的國際競爭

在物理學界，一個通過理論推導和公式推算出的結論必須通過實驗驗證才能被承認。中科院物理所副研究員翁紅明告訴《中國科學報》記者：“沒有實驗證實，便不能稱之為‘發(fā)現’。”

提到“外爾費米子”理論，則要追溯到1928年，狄拉克提出描述相對論電子態(tài)的狄拉克方程。1929年，德國科學家外爾（H. Weyl）指出，狄拉克方程質量為零的解描述的是一對重疊在一起的具有相反手性的新粒子，這就是“外爾費米子”。

但是，80多年以來，科學家一直沒有在實驗中“發(fā)現”外爾費米子。直到2015年1月初，依據中科院物理所研究員方忠?guī)ьI的研究組的理論預言和材料計算結果，中科院物理所陳根富小組制備出了具有原子級平整表面的大塊砷化鉭（TaAs）晶體，中科院物理所丁洪小組利用他們不久前在上海光源建成的“夢之線”角分辨光電子能譜實驗站上對TaAs晶體進行測量，首次觀測到外爾費米子的特征性現象——表面費米弧。

該實驗小組成員錢天告訴《中國科學報》記者：“通過‘夢之線’探測從材料中激發(fā)出來的電子的能量和動量，就能反推出晶體材料的電子結構。”只要觀測到費米弧，就能斷定外爾費米子的存在，即從實驗上“發(fā)現”了這種奇特的粒子。

2月16日，這個實驗小組在物理學界知名的學術交流網站arXiv上，公開了費米弧的發(fā)現，宣布外爾費米子被發(fā)現，中國科學家領銜的團隊被認為揭開了80多年來的世界之謎。

“arXiv網站是物理學界影響力非常大的學術交流網站，其張貼文章的高質量使這家網站在谷歌學術評價上的影響因子甚至超過了許多傳統(tǒng)學術期刊。”翁紅明說。

幾乎同時，美國麻省理工學院以及普林斯頓大學教授哈桑的兩個實驗小組也在arXiv網站上公開了類似的研究成果。

2月17日，丁洪研究小組把這項學術成果提交給了《科學》雜志。然而，7月16日，《科學》雜志在線刊登了哈桑小組和麻省理工學院的研究成果，而中國科學家的論文被意外拒稿。哈桑在電子郵件中回復《中國科學報》記者：“我們將實驗成果向《科學》雜志投稿，審稿中沒有收到修改意見。”

值得慶幸的是，目前該論文在未作修改的情況下被在物理學界極具影響力的《物理評論X》接受發(fā)表。隨后，丁洪研究小組又在瑞士光源觀測到TaAs中的外爾點及其附近的四維外爾錐，這是外爾半金屬的另一個根本特性，該研究成果也即將在國際知名刊物上發(fā)表。

理論：中國人的原創(chuàng)

在理論上，中國科學家的原創(chuàng)工作更毋庸置疑。正是中國科學家在拓撲半金屬領域中開創(chuàng)性的理論工作，為外爾費米子的產生和觀測提供了新的思路和途徑。

根據此前的理論研究，外爾費米子可能在“外爾半金屬”中被觀察到，科學家一直致力于尋找外爾半金屬。

2011年，南京大學物理學院教授萬賢綱與幾名國際研究者合作，通過理論計算預言一種復雜磁結構的銥氧化物可能是外爾半金屬。同年，中科院物理所方忠、戴希團隊也預言鐵磁尖晶石HgCr2Se4也可能是外爾半金屬。但是由于磁性材料的復雜性，這兩個理論預言的實驗驗證都變得非常困難。

為此，長期從事理論計算的中科院物理研究所方忠研究組一直想尋找一種非磁外爾半金屬。2012年、2013年兩年里，他們及合作者先后從理論上預言鈉三鉍晶體（Na3Bi）和三砷化二鉻晶體（Cd3As2）是狄拉克半金屬，里面存在三維無質量狄拉克電子，由一對重疊在一起的具有相反手性的“外爾費米子”構成。

2014年，他們跟實驗組合作，先后發(fā)表一篇《科學》和《自然—材料》論文，證實了理論預言，被稱為首次發(fā)現“三維版本的石墨烯”。這為實現相互分離的手性外爾費米子邁出了關鍵性的一步，而且使拓撲半金屬領域的實驗研究成為可能，極大推動了拓撲半金屬領域的進展。

該理論團隊成員翁紅明從發(fā)表于1965年的一篇實驗文獻中受到啟發(fā)，并通過第一性原理計算，初步認定砷化鉭（TaAs）晶體等同結構家族材料可能是外爾半金屬。這類材料能夠合成，并且沒有磁性，打破了中心對稱，是實驗制備、檢測都非常便捷的絕佳材料。

經過跟戴希、方忠等合作者進行了數月的周密計算和數學證明后，他們更加確認這一結論。2014年12月31日，他們將此理論預言在arXiv網站率先向全世界公開。該成果立即受到同行的關注，包括中科院物理所、北京大學、普林斯頓大學等在內的國際上眾多實驗小組都投入到了競賽般的實驗驗證工作中。這項理論成果于今年3月17日在《物理評論X》雜志正式發(fā)表。

1月5日，中科院物理所的研究團隊收到了來自哈桑小組的一封信。信中告知，他們也有類似的工作，并也將當時尚未發(fā)表的論文張貼在arXiv網站上。

哈桑給《中國科學報》記者的回信中，強調了這篇論文的重要性，并稱“這篇論文于2014年11月提交給《自然—通訊》雜志，比中國科學家的結果早很多”。

記者調查后發(fā)現，這篇論文在2015年4月30日才被期刊正式接收，最終在2015年6月12日刊發(fā)。這已經是在中科院物理所團隊的工作發(fā)表近3個月之后。翁紅明表示：“哈桑小組在這篇文章中使用了我參與開發(fā)的計算軟件包，并引用了以我為第一作者于2009年發(fā)表的一篇文章。”

在一名不愿透露姓名的該領域研究者看來，哈桑的這篇理論預測文章，更像是“憑空冒出”，“甚至沒有給出嚴格的數學證明，僅僅是一個預言。”這名研究者表示，加上兩項研究在arXiv網站公布的先后順序，讓人不禁懷疑，哈桑小組的工作是否完全獨立。

思考：如何贏得全局

在國際同行眼中，中國科學家的這一發(fā)現，從材料理論預言到實驗觀測都是獨立完成。

早在今年2月底，三個小組公布發(fā)現外爾費米子時，美國加州大學伯克利分校Ashivin Vishwanath教授便在Journal Club for Condensed Matter Physics以“實驗觀測外爾半金屬”為主題，對三家獨立實驗工作進行評述。

今年7月16日，英國皇家化學協會的Chemistry World在獲知美國《科學》雜志接受了兩個美國小組的工作后，則作為第三方科學媒體報道了包括我國科學家的工作在內的三家各自的獨立發(fā)現。

對于在基礎科學領域搶占先機，中國科學家也在這件事上有了新的體會。錢天指出，首先，要加快建設我國自己的大科學裝置。“我國大科學裝置起步較晚，十多年前，還處在購買商業(yè)設備開展測量的水平。”他說。

2014年8月，中科院啟動“率先行動”計劃，具體改革措施之一，便是啟動研究所分類改革，其中包括大科學中心。在這項改革的大框架下，于去年10月底建成的上海光源的“夢之線”在發(fā)現外爾費米子的實驗中立下汗馬功勞。目前，“夢之線”的各項技術指標處于世界先進行列。

此外，也有學者指出，應當辦好我國自己優(yōu)秀的學術期刊，如果我國在相關領域也有影響力大的高水平學術期刊，中國科學家的學術成果發(fā)表便不再受制于人，雖然科學成果的重要性并不依賴于最終發(fā)表的期刊。

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