近期，我校范滇元院士團隊與英國伯明翰大學張霜教授課題組合作，通過探索馬鞍形狀的光子晶體，在實驗上首次觀測到了理想的外爾系統(tǒng)。相關(guān)成果以題為“Ideal Weyl points and helicoid surface states in artificial photonic crystal structures”發(fā)表在國際頂尖期刊Science上。深圳大學博士后郭清華為論文共同第一作者，項元江副教授為論文的合作作者，英國伯明翰大學、深圳大學、University of Exeter和中科院物理所為論文共同第一單位。

組成物質(zhì)世界的基本粒子分為玻色子和費米子；費米子包含三種，分別是狄拉克費米子、外爾費米子和馬約拉納費米子。自然界中普遍存在的是狄拉克費米子，外爾費米子和馬約拉納費米子是否存在，長期以來沒有定論。

直到最近，人們才在凝聚態(tài)物質(zhì)體系中分別觀察到外爾費米子和馬約拉納費米子，它們都是電子在凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)約束下表現(xiàn)出來的元激發(fā)，是“準粒子”。外爾費米子最顯著的特征是其色散關(guān)系上含外爾點。尋找外爾點一時成為多個物理分支（如光學、冷原子）的熱門。

                                        圖1 理想外爾系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和能帶                       圖2體態(tài)和螺旋表面態(tài)的實驗觀測

    理想的外爾系統(tǒng)是研究和開發(fā)很多有趣的拓撲特性以及實際應用的基礎。然而到目前為止，還沒有實驗觀測到理想的外爾系統(tǒng)。由于人工合成的周期性材料(如光子晶體、聲子晶體)可具有類似于電子的能帶結(jié)構(gòu)，近年來研究者開始在經(jīng)典波(如電磁波、聲波)體系中探索拓撲態(tài)及其相關(guān)現(xiàn)象。這些自然界中不存在的人工材料具有更多的設計自由度，不僅為科學家提供了另一個更方便研究拓撲相的平臺，也有助于拓撲態(tài)的概念應用到新型的光學器件中。

最近，英國伯明翰大學張霜教授課題組與深圳大學范滇元院士團隊先進材料光子學課題組、University of Exeter和中科院物理合作，設計并制備了馬鞍形狀的光子晶體（圖1A，B），觀測到了理想的外爾系統(tǒng)，其中四個對稱性保護的外爾點坐落在同一個頻率，并且在這個頻率周圍沒有其他能帶干擾（圖1C）。他們采用近場掃描的方法測量了該光子晶體的體態(tài)和表面態(tài)的分布情況（圖2）。作為源的探針放在樣品的底部，這樣可以同時激發(fā)體態(tài)和表面態(tài)。測量的探針在樣品的上表面掃描，可以得到近場的振幅和相位分布，然后通過傅里葉變換得到其動量空間的等頻面分布情況。從圖中的實驗和仿真的對比中可以看到螺旋表面態(tài)的旋轉(zhuǎn)情況。他們的發(fā)現(xiàn)對外爾拓撲態(tài)的研究提供了一個理想的平臺。

這是范滇元院士團隊繼2017年在《物理評論快報》（Physical Review Letters）發(fā)表關(guān)于超材料三維光子狄拉克點和《自然·通訊》（Nature Communications）上發(fā)表關(guān)于拓撲超材料中光子費米弧的直接觀測的相關(guān)研究后，又一篇關(guān)于拓撲物理方面的重要成果。由于光子晶體可具有宏觀尺度，外爾光子晶體的實現(xiàn)把外爾物理從微觀拓展到宏觀，帶來了實驗制備與測量的方便性，既有利于拓撲物理的進一步發(fā)展，亦有利于拓撲物理早日走向應用。

該工作得到了國家自然科學基金基金的資助。原文鏈接：http://science.sciencemag.org/content/359/6379/1013