近日，重庆大学物理学院物理系&结构与功能研究所王锐副教授和南方科技大学物理系徐虎副教授等合作，在物理学顶级期刊《物理评论快报》(Physical Review Letters, PRL)发表了关于在磁性Weyl半金属中实现偶数对（even pair）Weyl点的新思路。论文题目为“Robust Twin Pairs of Weyl Fermions in Ferromagnetic Oxides.” [Phys. Rev. Lett. 122, 057205 (2019)]。重庆大学为共同通讯单位，物理学院王锐和南方科技大学物理系徐虎为该工作的共同通讯作者。
1929年，德国物理数学家H. Weyl预言了一类具有固定手性（左旋或者右旋）的零质量的新粒子—Weyl费米子。然而，80多年来，人们始终没有在现实世界中发现Weyl费米子存在的踪迹。直到2011年，人们发现在凝聚态中低能激发的能量-动量色散关系可以精确地满足Weyl方程。这种低能激发准粒子就是一类Weyl费米子。该理论发现是凝聚态物理研究领域的重大突破。Weyl半金属是一种新型的拓扑量子材料，可以看作粒子物理中标准模型的Weyl费米子在凝聚态物理中的实现。Weyl半金属具有手性反常等新奇物理性质，对低能耗电子器件、量子计算等前沿科技领域具有重要的研究价值。
图1. 具有空间反演对称的磁性拓扑材料中Weyl点数目与时间反演不变动量点宇称、2D切割面陈数的关系。
由于Weyl点的两重简并特性，Weyl半金属通常需要破坏空间反演对称（非磁性）或者破坏时间反演对称（磁性）。非磁Weyl半金属已经在TaAs系列材料中得到实验确认。相对于非磁Weyl半金属，磁性Weyl半金属更为重要。一方面，磁性Weyl半金属的本征磁化和非平庸电子能带结构具有良好的自旋电子学应用前景。另一方面，不同自旋排列与对称性之间的相互作用为研究对称保护的拓扑序提供了理想的平台。但是，磁性Weyl半金属研究进展相当缓慢。磁性Weyl半金属的候选者材料也很少。此外，人们一直认为具有空间反演对称的磁性Weyl半金属中的Weyl点数目为奇数对(odd pair)，对偶数对Weyl点的系统鲜有报道。因此，在理论上提出一种探索和设计磁性Weyl半金属的普适方案是拓扑材料研究领域中的一个重要问题。
基于第一性原理计算和对称性分析，该工作对具有空间反演对称的磁性Weyl半金属进行了深入的研究，根据时间反演不变动量点波函数的宇称，发现了一种简单有效的方法来探索和设计磁性Weyl半金属，并用该方法对磁性Weyl半金属进行了分类。更重要的是，根据该方案发现磁性Weyl半金属不仅有奇数对Weyl点，还可以有偶数对Weyl点；这也是在理论上首次提出偶数对Weyl点的磁性Weyl半金属。
那么，这种偶数对Weyl点的拓扑材料能否能在真实材料中实现呢？研究人员结合第一性原理计算和高通量设计，发现这类Weyl半金属广泛存在于铁磁氧化物中，并在已经实验合成的铁磁氧化物RbCr4O8得到验证。值得注意的是，RbCr4O8表现出受宇称拓扑保护的鲁棒性的孪生Weyl费米子激发。该工作不仅圆满地对具有空间反演对称的磁性Weyl半金属进行了系统的分类，还首次提出了偶数对Weyl点数目的磁性Weyl半金属，并证明了其在实际材料中广泛存在，对Weyl半金属进一步理论研究和实际应用具有重要意义。
图2. 铁磁氧化物RbCr4O8中的孪生Weyl费米子激发及Fermi弧表面态.
该工作受到重庆大学中央高校项目和重庆大学后备拔尖人才项目等基金的资助。
