原標(biāo)題：中外物理學(xué)家的科學(xué)競(jìng)賽
外爾費(fèi)米子，是當(dāng)今凝聚態(tài)物理最前沿的研究對(duì)象之一。
7月18日，一則消息引起中科院物理所研究員戴希的注意。消息稱，普林斯頓大學(xué)物理學(xué)家扎伊德·哈桑領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)首次通過實(shí)驗(yàn)，在外爾半金屬中造出了外爾費(fèi)米子。
事實(shí)上，在戴希看來，是以中科院物理所為主的中國科學(xué)家首次通過理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)這種半金屬，也是中國科學(xué)家首次通過角分辨光電子能譜發(fā)現(xiàn)了外爾費(fèi)米子的存在。
戴希在這條消息下的評(píng)論中，認(rèn)為這場(chǎng)風(fēng)波屬于“科學(xué)界的競(jìng)爭(zhēng)”，是尋找“外爾費(fèi)米子”的科學(xué)競(jìng)賽。
實(shí)驗(yàn)：激烈的國際競(jìng)爭(zhēng)
在物理學(xué)界，一個(gè)通過理論推導(dǎo)和公式推算出的結(jié)論必須通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證才能被承認(rèn)。中科院物理所副研究員翁紅明告訴《中國科學(xué)報(bào)》記者：“沒有實(shí)驗(yàn)證實(shí)，便不能稱之為‘發(fā)現(xiàn)’。”
提到“外爾費(fèi)米子”理論，則要追溯到1928年，狄拉克提出描述相對(duì)論電子態(tài)的狄拉克方程。1929年，德國科學(xué)家外爾（H. Weyl）指出，狄拉克方程質(zhì)量為零的解描述的是一對(duì)重疊在一起的具有相反手性的新粒子，這就是“外爾費(fèi)米子”。
但是，80多年以來，科學(xué)家一直沒有在實(shí)驗(yàn)中“發(fā)現(xiàn)”外爾費(fèi)米子。直到2015年1月初，依據(jù)中科院物理所研究員方忠?guī)ьI(lǐng)的研究組的理論預(yù)言和材料計(jì)算結(jié)果，中科院物理所陳根富小組制備出了具有原子級(jí)平整表面的大塊砷化鉭（TaAs）晶體，中科院物理所丁洪小組利用他們不久前在上海光源建成的“夢(mèng)之線”角分辨光電子能譜實(shí)驗(yàn)站上對(duì)TaAs晶體進(jìn)行測(cè)量，首次觀測(cè)到外爾費(fèi)米子的特征性現(xiàn)象——表面費(fèi)米弧。
該實(shí)驗(yàn)小組成員錢天告訴《中國科學(xué)報(bào)》記者：“通過‘夢(mèng)之線’探測(cè)從材料中激發(fā)出來的電子的能量和動(dòng)量，就能反推出晶體材料的電子結(jié)構(gòu)。”只要觀測(cè)到費(fèi)米弧，就能斷定外爾費(fèi)米子的存在，即從實(shí)驗(yàn)上“發(fā)現(xiàn)”了這種奇特的粒子。
2月16日，這個(gè)實(shí)驗(yàn)小組在物理學(xué)界知名的學(xué)術(shù)交流網(wǎng)站arXiv上，公開了費(fèi)米弧的發(fā)現(xiàn)，宣布外爾費(fèi)米子被發(fā)現(xiàn)，中國科學(xué)家領(lǐng)銜的團(tuán)隊(duì)被認(rèn)為揭開了80多年來的世界之謎。
“arXiv網(wǎng)站是物理學(xué)界影響力非常大的學(xué)術(shù)交流網(wǎng)站，其張貼文章的高質(zhì)量使這家網(wǎng)站在谷歌學(xué)術(shù)評(píng)價(jià)上的影響因子甚至超過了許多傳統(tǒng)學(xué)術(shù)期刊。”翁紅明說。
幾乎同時(shí)，美國麻省理工學(xué)院以及普林斯頓大學(xué)教授哈桑的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)小組也在arXiv網(wǎng)站上公開了類似的研究成果。
2月17日，丁洪研究小組把這項(xiàng)學(xué)術(shù)成果提交給了《科學(xué)》雜志。然而，7月16日，《科學(xué)》雜志在線刊登了哈桑小組和麻省理工學(xué)院的研究成果，而中國科學(xué)家的論文被意外拒稿。哈桑在電子郵件中回復(fù)《中國科學(xué)報(bào)》記者：“我們將實(shí)驗(yàn)成果向《科學(xué)》雜志投稿，審稿中沒有收到修改意見。”
值得慶幸的是，目前該論文在未作修改的情況下被在物理學(xué)界極具影響力的《物理評(píng)論X》接受發(fā)表。隨后，丁洪研究小組又在瑞士光源觀測(cè)到TaAs中的外爾點(diǎn)及其附近的四維外爾錐，這是外爾半金屬的另一個(gè)根本特性，該研究成果也即將在國際知名刊物上發(fā)表。
理論：中國人的原創(chuàng)
在理論上，中國科學(xué)家的原創(chuàng)工作更毋庸置疑。正是中國科學(xué)家在拓?fù)浒虢饘兕I(lǐng)域中開創(chuàng)性的理論工作，為外爾費(fèi)米子的產(chǎn)生和觀測(cè)提供了新的思路和途徑。
根據(jù)此前的理論研究，外爾費(fèi)米子可能在“外爾半金屬”中被觀察到，科學(xué)家一直致力于尋找外爾半金屬。
2011年，南京大學(xué)物理學(xué)院教授萬賢綱與幾名國際研究者合作，通過理論計(jì)算預(yù)言一種復(fù)雜磁結(jié)構(gòu)的銥氧化物可能是外爾半金屬。同年，中科院物理所方忠、戴希團(tuán)隊(duì)也預(yù)言鐵磁尖晶石HgCr2Se4也可能是外爾半金屬。但是由于磁性材料的復(fù)雜性，這兩個(gè)理論預(yù)言的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證都變得非常困難。
為此，長(zhǎng)期從事理論計(jì)算的中科院物理研究所方忠研究組一直想尋找一種非磁外爾半金屬。2012年、2013年兩年里，他們及合作者先后從理論上預(yù)言鈉三鉍晶體（Na3Bi）和三砷化二鉻晶體（Cd3As2）是狄拉克半金屬，里面存在三維無質(zhì)量狄拉克電子，由一對(duì)重疊在一起的具有相反手性的“外爾費(fèi)米子”構(gòu)成。
2014年，他們跟實(shí)驗(yàn)組合作，先后發(fā)表一篇《科學(xué)》和《自然—材料》論文，證實(shí)了理論預(yù)言，被稱為首次發(fā)現(xiàn)“三維版本的石墨烯”。這為實(shí)現(xiàn)相互分離的手性外爾費(fèi)米子邁出了關(guān)鍵性的一步，而且使拓?fù)浒虢饘兕I(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)研究成為可能，極大推動(dòng)了拓?fù)浒虢饘兕I(lǐng)域的進(jìn)展。
該理論團(tuán)隊(duì)成員翁紅明從發(fā)表于1965年的一篇實(shí)驗(yàn)文獻(xiàn)中受到啟發(fā)，并通過第一性原理計(jì)算，初步認(rèn)定砷化鉭（TaAs）晶體等同結(jié)構(gòu)家族材料可能是外爾半金屬。這類材料能夠合成，并且沒有磁性，打破了中心對(duì)稱，是實(shí)驗(yàn)制備、檢測(cè)都非常便捷的絕佳材料。
經(jīng)過跟戴希、方忠等合作者進(jìn)行了數(shù)月的周密計(jì)算和數(shù)學(xué)證明后，他們更加確認(rèn)這一結(jié)論。2014年12月31日，他們將此理論預(yù)言在arXiv網(wǎng)站率先向全世界公開。該成果立即受到同行的關(guān)注，包括中科院物理所、北京大學(xué)、普林斯頓大學(xué)等在內(nèi)的國際上眾多實(shí)驗(yàn)小組都投入到了競(jìng)賽般的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證工作中。這項(xiàng)理論成果于今年3月17日在《物理評(píng)論X》雜志正式發(fā)表。
1月5日，中科院物理所的研究團(tuán)隊(duì)收到了來自哈桑小組的一封信。信中告知，他們也有類似的工作，并也將當(dāng)時(shí)尚未發(fā)表的論文張貼在arXiv網(wǎng)站上。
哈桑給《中國科學(xué)報(bào)》記者的回信中，強(qiáng)調(diào)了這篇論文的重要性，并稱“這篇論文于2014年11月提交給《自然—通訊》雜志，比中國科學(xué)家的結(jié)果早很多”。
記者調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，這篇論文在2015年4月30日才被期刊正式接收，最終在2015年6月12日刊發(fā)。這已經(jīng)是在中科院物理所團(tuán)隊(duì)的工作發(fā)表近3個(gè)月之后。翁紅明表示：“哈桑小組在這篇文章中使用了我參與開發(fā)的計(jì)算軟件包，并引用了以我為第一作者于2009年發(fā)表的一篇文章。”
在一名不愿透露姓名的該領(lǐng)域研究者看來，哈桑的這篇理論預(yù)測(cè)文章，更像是“憑空冒出”，“甚至沒有給出嚴(yán)格的數(shù)學(xué)證明，僅僅是一個(gè)預(yù)言。”這名研究者表示，加上兩項(xiàng)研究在arXiv網(wǎng)站公布的先后順序，讓人不禁懷疑，哈桑小組的工作是否完全獨(dú)立。
思考：如何贏得全局
在國際同行眼中，中國科學(xué)家的這一發(fā)現(xiàn)，從材料理論預(yù)言到實(shí)驗(yàn)觀測(cè)都是獨(dú)立完成。
早在今年2月底，三個(gè)小組公布發(fā)現(xiàn)外爾費(fèi)米子時(shí)，美國加州大學(xué)伯克利分校Ashivin Vishwanath教授便在Journal Club for Condensed Matter Physics以“實(shí)驗(yàn)觀測(cè)外爾半金屬”為主題，對(duì)三家獨(dú)立實(shí)驗(yàn)工作進(jìn)行評(píng)述。
今年7月16日，英國皇家化學(xué)協(xié)會(huì)的Chemistry World在獲知美國《科學(xué)》雜志接受了兩個(gè)美國小組的工作后，則作為第三方科學(xué)媒體報(bào)道了包括我國科學(xué)家的工作在內(nèi)的三家各自的獨(dú)立發(fā)現(xiàn)。
對(duì)于在基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域搶占先機(jī)，中國科學(xué)家也在這件事上有了新的體會(huì)。錢天指出，首先，要加快建設(shè)我國自己的大科學(xué)裝置。“我國大科學(xué)裝置起步較晚，十多年前，還處在購買商業(yè)設(shè)備開展測(cè)量的水平。”他說。
2014年8月，中科院?jiǎn)?dòng)“率先行動(dòng)”計(jì)劃，具體改革措施之一，便是啟動(dòng)研究所分類改革，其中包括大科學(xué)中心。在這項(xiàng)改革的大框架下，于去年10月底建成的上海光源的“夢(mèng)之線”在發(fā)現(xiàn)外爾費(fèi)米子的實(shí)驗(yàn)中立下汗馬功勞。目前，“夢(mèng)之線”的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)處于世界先進(jìn)行列。
此外，也有學(xué)者指出，應(yīng)當(dāng)辦好我國自己優(yōu)秀的學(xué)術(shù)期刊，如果我國在相關(guān)領(lǐng)域也有影響力大的高水平學(xué)術(shù)期刊，中國科學(xué)家的學(xué)術(shù)成果發(fā)表便不再受制于人，雖然科學(xué)成果的重要性并不依賴于最終發(fā)表的期刊。