由于三維晶體中Weyl（外爾）準(zhǔn)粒子是不需特殊對(duì)稱性保護(hù)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，同時(shí)具有特別的表面費(fèi)米弧和奇特的電輸運(yùn)行為，單粒子圖像下的拓?fù)浒虢饘俨牧系难芯渴悄蹜B(tài)物理中的熱點(diǎn)，科研人員逐步關(guān)注到外爾半金屬材料中由電子-電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)導(dǎo)致的新物理和新現(xiàn)象。2012年，清華大學(xué)高等研究院研究員汪忠和美國(guó)華裔物理學(xué)家張首晟提出，在考慮電子-電子之間的相互作用后，手征相反的外爾點(diǎn)發(fā)生費(fèi)米面nesting（嵌套），外爾半金屬可以失穩(wěn)轉(zhuǎn)變到電荷密度波（charge-density wave; CDW）相，同時(shí)，它是一個(gè)軸子絕緣體（axion insulator），包含拓?fù)浯烹婑詈享?xiàng) θ E·B （E和B分別是電場(chǎng)和磁場(chǎng)）。由于缺乏相關(guān)材料，具有電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)的外爾半金屬材料研究進(jìn)展緩慢。

　　近期，中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心凝聚態(tài)理論與材料計(jì)算實(shí)驗(yàn)室特聘研究員王志俊與美國(guó)普林斯頓大學(xué)教授B. Andrei Bernevig、上海科技大學(xué)博士史武軍、普林斯頓大學(xué)博士Benjamin J. Wieder，以及德國(guó)馬普微結(jié)構(gòu)物理研究所博士Holger L. Meyerheim等人合作，通過(guò)第一性原理理論計(jì)算預(yù)言，結(jié)合X射線衍射（XRD）和角分辨光電子能譜（ARPES）等實(shí)驗(yàn)手段，發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)一維材料(TaSe₄)₂I（圖1）在高溫下是Weyl半金屬，而在低溫下發(fā)生電荷密度波相變，首次在真實(shí)材料中實(shí)現(xiàn)由電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)驅(qū)動(dòng)的外爾半金屬到軸子絕緣體的轉(zhuǎn)變。

　　通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，具有手征對(duì)稱性的準(zhǔn)一維材料(TaSe₄)₂I是一個(gè)包含24對(duì)Weyl點(diǎn)的外爾半金屬。由于缺乏空間反演和鏡面對(duì)稱性，與TaAs等傳統(tǒng)的Weyl半金屬不同，(TaSe₄)₂I中手性相反的Weyl點(diǎn)可出現(xiàn)在不同的能量上，可以作為觀測(cè)量子圓偏光電流效應(yīng)（quantized circular photogalvanic effect; CPGE）等手征拓?fù)涮匦缘牟牧稀Ｔ谠摬牧现校M(fèi)米能級(jí)以下的凈手征電荷為16，這是目前費(fèi)米能級(jí)以下手性電荷總量最大的材料。在CDW相變溫度（T_C ~ 248K）以下時(shí)，科研人員在XRD的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中看到CDW波矢所導(dǎo)致的Bragg點(diǎn)附近的衍射衛(wèi)星峰（圖1）。手性相反的Weyl點(diǎn)形成的費(fèi)米面嵌套（Fermi surface nesting）使系統(tǒng)打開(kāi)能隙，從而發(fā)生由外爾半金屬到軸子絕緣體的相變。通過(guò)電輸運(yùn)測(cè)量和角分辨光電子能譜（ARPES）實(shí)驗(yàn)證實(shí)了金屬到絕緣體轉(zhuǎn)變的存在。通過(guò)計(jì)算電極化率發(fā)現(xiàn)，這些新的衍射峰與手性電荷相反的Weyl點(diǎn)之間波矢相關(guān)。此外，為進(jìn)一步驗(yàn)證磁電耦合項(xiàng)的存在，德國(guó)馬普固體化學(xué)物理研究所的合作者們仔細(xì)地測(cè)量了CDW的集體模式電流J_CDW與B與E之間夾角的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)表明增加的電導(dǎo)與此夾角有近似平方余弦函數(shù)的關(guān)系，間接驗(yàn)證了拓?fù)浯烹娦?yīng)的存在（圖2）。

　　相關(guān)研究成果在線發(fā)表在Nature Physics上。參與研究的合作單位包括德國(guó)德累斯頓馬普固體化物所、德國(guó)萊布尼茨研究所、英國(guó)牛津大學(xué)、清華大學(xué)等。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、物理所材料基因組研究平臺(tái)項(xiàng)目和中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（B類）等的支持。

　　圖1.X射線衍射強(qiáng)度圖，顯示著由電荷密度波導(dǎo)致的（620）衍射峰附近的小衛(wèi)星峰。插圖為準(zhǔn)一維材料(TaSe₄)₂I的晶體結(jié)構(gòu)。

　　圖2.測(cè)量的 Δ(dI/dV)數(shù)據(jù)與E和B之間夾角存在近似平方余弦函數(shù)的關(guān)系