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祝贺！南洋理工大学张百乐课题组发表《Science》

2025-01-11 静姝 2951

2025 年 1 月 10 日，《科学》杂志发表了新加坡南洋理工大学领导的研究成果，他们开发出的突破性技术可奠定探测宇宙 “暗物质” 的基础。研究证实自然存在的粒子能像轴子一样发挥作用，为揭开宇宙秘密带来新希望。

研究团队和成果发表

2025 年 1 月 10 日，《科学》杂志重磅刊载了一项由新加坡南洋理工大学张百乐教授课题组主导的前沿研究成果，该研究成果可以为探测宇宙的“暗物质”奠定基础，使科学家比以前更接近揭开宇宙的秘密。

来源：Science官网

艰难的探索：寻找轴子的四十年

科学家们花了四十年时间寻找轴子。一种方法是通过实验证明自然界现有的粒子能表现得像轴子，若能观察到这种行为，将增加轴子真实存在的可能性，也可为开发检测实际轴子的方法提供依据。

此前，研究人员多致力于证明电子可像轴子一样运动，但过去的研究仅表明电子在二维空间中类似轴子运动，而轴子是在三维空间中运动和存在的。

（从左至右）新加坡南洋理工大学前研究员 Subhaskar Mandal 博士，张百乐教授，Yidong Chong教授

来源：ntu

重大突破：光子的 “轴子行为”

新加坡南洋理工大学的张百乐教授团队另辟蹊径，通过研究光子来解决这一问题。他们此前研究的具有磁性的层状晶体结构，可改变光粒子的传播和行为方式。

在研究中，他们回顾相关理论研究后假设，若晶体层具有交变磁性，晶体内的光子可能表现出类似轴子的行为。

这一假设得到了实验的证实。研究人员使用钇铁石榴石制成的晶体进行实验，观察到光子在晶体结构的三维边缘上以单一方向传播，且无向后散射等问题，这种行为与理论对轴子的预测一致。

张百乐教授表示，从新晶体结构中发现的结果让他们更有信心利用这些晶体探测真正的轴子，为解开宇宙谜团奠定基础。

韩国科学技术院的亚尼斯・塞默茨迪斯教授也认为，这项研究是重大突破，研究中使用的晶体结构为寻找轴子提供了有前途的替代方法。

光子拓扑反铁磁体的构建过程及相关特性

构建策略与紧束缚模型：通过堆叠具有交替磁通量方向（Chern 数为 ±1）的二维 Haldane 模型层来构建拓扑反铁磁体，相邻层通过交替的层间跳跃和耦合，起初设以保持 z 轴镜像反射对称，该对称可保护有限样本锯齿形侧面的单表面狄拉克锥，同时使顶部和底部表面保持带隙。

光子晶体单元设计：3D 光子晶体的单元由两个磁光棒组成，夹在两对穿孔金属板和永磁体之间，六边形单元两组不等价角上的三角形孔用于层间耦合，保证维持 z 轴镜像对称，相邻磁光棒磁化方向相反实现反铁磁配置，使光子晶体 3D Dirac 点带隙化，产生 11.19 - 12.58 GHz 的完整体带隙，锯齿形侧面有单狄拉克锥。

实验样品情况：制备了 z 方向 40 层、x - y 平面单元细胞的样品，展示了样品照片及局部特写，介绍了测量表面态的实验设置，在 A1 表面测量得到的表面色散在 11.66 GHz 附近有与理论相符的单狄拉克锥。还实现了手性态的复杂编织形成 3D 单向网络。