鲁达
中国经济人均超过1万美元后，
一件事变得越来越重要。
那是革新。
新的增长，
就得有创新的工业，
创新的材料和
全新的物质形态。
比如说，如果没有1940年代半导体材料的突破，
我们根本不可能引爆
持续70多年的计算机和互联网的热潮。
今天我们要介绍的
也是一种全新的物质材料。
这种材料有很多怪异的属性。
比如说，
它能导电，但是导电能力很弱，
所以它既不是金属，
也不是绝缘体。
你知道吗？
半导体的导电能力也很弱。
那么它有没有可能是半导体呢？
我们经常说的半导体
其实是个弱的绝缘体，
如果把半导体的温度降到绝对零度，
它其实完全不导电。
但这种材料不同。
即使在绝对零温下，
它也存在一定导电能力，虽然很弱。
所以它可以算作一种弱导电的金属。
除此之外，它还有很多
让物理学家非常关注的特点。
第一，如果你仔细观察它内部的电子，
就会发现只有极少量的电子在导电，
其他电子都不参与导电。
而且，这些导电电子的
运动速度都差不多大。
这跟正常的导体或绝缘体完全不一样。
注：以上画面是近似的描述。这种现象更准确的描述叫“费米面位于外尔点”。
第二，在它的上下表面，
导电的电子只能大致朝着一个方向运动，
没法反过来运动。
注：以上画面是近似的描述。这种现象更准确的描述叫“表面费米弧”。
第三，如果你仔细研究
其中电子的运动规律，
就会发现，帮它导电的电子的质量
仿佛凭空消失了。
电子居然可以像无质量的光子一样
进行相对论性的运动。
这里说的相对论，并不是说它达到了真正的光速，而是说它目前的运动就像它达到光速一样，会产生光速运动特有的相对论效应。在外尔半金属中，这个速度是可以计算出来的，它有个特定的名字叫费米速度。
它之所以有如此奇怪的特性，
原因之一是它内部的
原子对电子施加了外力，
使得电子的运动等效看起来
不遵循薛定谔方程，
而是遵循一种由数学家外尔提出的方程。
所以，它的名字叫外尔半金属。
在外尔半金属中，
电子并不是真的没有质量，
而是它在外力的作用下，
可以模拟无质量粒子的运动。
这就好比说电子做了一个梦，
进入盗梦空间，梦见自己变成
就像光子那样“无质量”的粒子。
那么，如何才能找到
这种神奇的外尔半金属呢？
凝聚态物理学家尝试了很多材料，
取得了相当多的进展。
虽然如此，但这些外尔半金属都不属于
最基本的外尔半金属。
最基本的外尔半金属的表面，
就像我们刚才说的，
电子的运动状态非常简洁。
然而在凝聚态物理学家
合成的那些材料的表面，
电子的运动状态要稍微复杂一些。
注：这里的漫画仅作粗略地示意，并不严格代表真实的物理过程
所以，它们不是我们说的
最基本的外尔半金属，
事实上，最基本的外尔半金属
物理学家一直没有找到。
难道这事就这么算了吗？
北京大学刘雄军研究组从理论上提出，
我们可以用超冷原子来模拟材料中电子，
再用激光来模拟电子受到的外力。
这就好像超冷原子进入了盗梦空间，
梦见自己变成了电子，
加入激光以后，
电子又进入下一层盗梦空间，
梦见自己变成
就像光子那样“无质量”的粒子。
用这种办法， 我们就可以模拟
最基本的外尔半金属。
那么，这个理论方案到底可不可行呢？
中国科学技术大学潘建伟、陈帅，
联合北京大学刘雄军研究组
在实验室中实施了这个方案。
首先，他们把一群铷-87原子
冷冻到绝对零度附近。
为了让这群铷-87原子
能够模拟外尔半金属中的电子，
物理学家必须营造
一种特殊的物理现象，
叫作三维自旋轨道耦合。
三维自旋轨道耦合是什么意思呢？
在外尔半金属中，
电子会存在两种运动。
第一种运动是到处乱跑，
叫作轨道运动。
第二种运动是电子像陀螺一样自转，
叫自旋运动。
如果电子的第一种运动
和第二种运动之间，
存在明显的对应关系，
就叫作自旋轨道耦合。
如果电子在三个方向上的轨道运动，
和电子自旋在三个方向上的状态，
都存在明显的对应关系，
就叫作三维自旋轨道耦合。
所以，在实验的第二步，
物理学家就是要通过
三束不同方向的激光，
让铷-87原子模拟电子的
三维自旋轨道耦合。
简单地说，
他们要让铷-87原子的两个能量状态，
模拟电子的两个自旋状态。
注：严格说，铷原子的两个能量状态，其实是铷原子的两个自旋状态。对比电子，电子的自旋只有两个态，而原子的自旋往往有很多不同的态。研究组只是从其中挑出两个来，用一个模拟电子的自旋朝上，另一个模拟电子的自旋朝下。
同时，他们要让铷-87原子的运动，
模拟电子在各种原子之间的运动。
并且，三束激光必须存在一定配合，
使得铷-87原子的能量状态和运动状态
存在很强的关联。
这样一来，它们就能够实现
三维自旋轨道耦合。
根据外尔半金属的理论，
实现了三维自旋轨道耦合，
铷-87原子就能模拟
最基本的外尔半金属（的电子的行为）啦。
但是，这些原子有没有做梦，
梦见了什么内容，我们怎么会知道呢？
换句话说，要怎样证明它模拟的确实
是最基本的外尔半金属呢？
物理学家还得寻找一个特殊的证据。
有了这个证据，
他们才能证明这群铷-87原子模拟的
就是他们想要的东西。
这个特殊的证据叫作一对外尔点。
它的理论涉及复杂的数学，
我们就不仔细说了。
总之，它需要你把电子的运动状态
画成一张三维立体的分布图。
这张图里的每一个点都表示电子
在某个方向上的运动“速度”。
红色表示电子的自旋状态1。
蓝色表示电子的自旋状态2。
如果不存在自旋轨道耦合，
这张图里的红色和蓝色
应该都是随机分布的。
但如果存在自旋轨道耦合，
这张图里的红色和蓝色
就必须呈现明显的规律。
物理学家要找的外尔点，
就是说，这张图里的
红色和蓝色必须有明显的界限。
而且，这个界限的两端必须是两个点，
而不是两个圈。这就是物理学家
心中的特殊证据“一对外尔点”。
于是，物理学家对铷-87原子系统的
运动进行了精确地测量，
统计了大量铷-87原子的
运动速度和能量状态，
然后把它们画成了一张一张的
二维横截面示意图。
还记得之前的设定吗？
铷-87原子的运动对应电子的运动，
铷-87原子的两个能量状态
对应电子的两个自旋状态。
结果，
他们真的找到了那“一对外尔点”。
也就是说，红色和蓝色
必须有明显的界限。
而且，这个界限的两端
必须是两个点，而不是两个圈。
于是，
中国物理学家首次在
超冷铷-87原子的系统中，
利用三维自旋轨道耦合，
成功模拟了最基本的外尔半金属。
实验论文发表在《科学》杂志上。
让超冷铷-87原子“梦见”自己变成
一群电子正在“梦见”自己变成无质量粒子，
其实非常重要。
有了这种技术，
物理学家就可以通过调节激光，
任意调节它们的“梦境”，
以便更细致地研究各种材料中
电子的怪异行为。
再说了，梦总是要有的，万一实现了呢？
参考文献：
1. Wang Z Y, Cheng X C, Wang B Z, et al. Realization of ideal Weyl semimetal band in ultracold quantum gas with 3D Spin-Orbit coupling[J]. arXiv preprint arXiv:2004.02413, 2020.
2. Lu Y H, Wang B Z, Liu X J. Ideal Weyl semimetal with 3D spin-orbit coupled ultracold quantum gas[J]. Science Bulletin, 2020.
3. 万贤纲. 拓扑 Weyl 半金属简介[J]. 物理, 2015, 44(07): 427-439.
END
作者：Sheldon
绘制：Mirror、濛琪
美指：牛猫
排版：伟俊
鸣谢：刘雄军，张进一，陈帅
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