隨著近年來蓬勃發(fā)展的拓撲材料研究，人們在固體材料中陸續(xù)尋找到新奇的準粒子，從而模擬原本僅存在于高能物理中的粒子。例如，石墨烯、拓撲絕緣體的邊緣態(tài)（二維）/表面態(tài)（三維）中的低能電子可視作無質(zhì)量的狄拉克費米子；外爾半金屬的低能電子可用手性區(qū)分的外爾費米子刻畫。此外，多重簡并費米子、點-線費米子等的發(fā)現(xiàn)，也極大拓展了凝聚態(tài)系統(tǒng)中準粒子家族。如何在固態(tài)材料系統(tǒng)中尋找甚至設(shè)計這些新奇的費米子，成為凝聚態(tài)物理新興的前沿領(lǐng)域之一。

　　最近，中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所超晶格國家重點實驗室常凱研究組在二元材料MoC中發(fā)現(xiàn)了點-線費米子與三重簡并費米子的共存。現(xiàn)有材料中穩(wěn)定的點-線費米子是非常罕見的，能帶反轉(zhuǎn)引致的點-線費米子常常被不可忽略的自旋軌道耦合效應(yīng)破壞，而MoC作為一種被發(fā)現(xiàn)了長達60年的滲碳材料，具有D_3h的晶格點群，其費米面附近能帶主要由Mo原子的d軌道組成。平面內(nèi)的C_3v子群保證了三重簡并費米子的存在，同時Z方向的σh子群的鏡面反演操作則為點-線費米子的穩(wěn)定提供了對稱性的保護。相關(guān)論文發(fā)表在Chinese Physics Letters（2017, 34(2): 027102）上。

　　在MoC的研究基礎(chǔ)上，常凱小組進一步研究了另一種穩(wěn)定材料TaS的電子結(jié)構(gòu)。TaS與MoC極為相似，體能帶中也存在三重簡并費米子與點-線費米子的共存。不同之處在于，在自旋軌道耦合作用下，TaS的一組點-線費米子在鏡面反演下保持穩(wěn)定；而另一組點-線費米子則打開了非平庸的帶隙，高密度的費米面搜尋則提示，在打開的帶隙中，演生出了新的外爾費米子，這一預(yù)言經(jīng)由嚴格的手性計算予以證明。由于上述費米子處于不同的能量空間，當投影到合適的表面，并進行ARPES觀測時，人們將會看到拓撲邊緣態(tài)構(gòu)型的嬗變。由此，TaS成為了第一個可觀測的電子結(jié)構(gòu)中同時含有三重費米子、點-線費米子與外爾費米子的新奇材料，為研究多種拓撲態(tài)的共存與轉(zhuǎn)變提供了嶄新的平臺。該成果發(fā)表于Physical Review B（2017, 96(4): 045121），并被該期刊重點推介。

　　以上研究得到了國家自然科學(xué)基金項目的支持。

新奇拓撲材料研究取得新進展