尋找具有獨(dú)特電子特性的新型材料一直是凝聚態(tài)物理學(xué)研究的驅(qū)動力。在這一領(lǐng)域，含有狄拉克費(fèi)米子的材料因其獨(dú)特的性質(zhì)而備受關(guān)注。狄拉克費(fèi)米子以物理學(xué)家狄拉克的名字命名，由于其無質(zhì)量（或接近無質(zhì)量）的特性和線性色散關(guān)系，它們表現(xiàn)出類似于光子的行為。

然而，在現(xiàn)實(shí)材料中實(shí)現(xiàn)這些特性一直是一個挑戰(zhàn)。最近，一篇發(fā)表在《材料進(jìn)展》的一篇論文對這一課題進(jìn)行了研究。該團(tuán)隊(duì)使用電子自旋共振光譜技術(shù)，在一種有機(jī)晶體材料α-ET2I3中發(fā)現(xiàn)了近乎三維的狄拉克費(fèi)米子。

狄拉克的相對論量子力學(xué)理論預(yù)測了具有獨(dú)特性質(zhì)的粒子存在。這些粒子后來被稱為狄拉克費(fèi)米子，它們具有零質(zhì)量（或非常接近零）并且在其動量和能量之間表現(xiàn)出線性關(guān)系。這種線性色散關(guān)系與傳統(tǒng)電子中觀察到的典型拋物線關(guān)系形成鮮明對比。由于其無質(zhì)量的特性，狄拉克費(fèi)米子的行為與普通電子不同，它們表現(xiàn)出高遷移率，并可能導(dǎo)致超導(dǎo)等新現(xiàn)象，其超導(dǎo)溫度比目前可達(dá)到的溫度高得多。

雖然狄拉克費(fèi)米子的理論框架已經(jīng)存在，但將其轉(zhuǎn)化為實(shí)際材料卻被證明是困難的。理想的情況是創(chuàng)造一種材料，其帶結(jié)構(gòu)類似于動量空間中的單點(diǎn)(狄拉克點(diǎn))。然而，在實(shí)際材料中實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)往往會導(dǎo)致更復(fù)雜的能帶結(jié)構(gòu)：具有多個狄拉克點(diǎn)或根本沒有狄拉克點(diǎn)的能帶結(jié)構(gòu)。此外，與材料晶格結(jié)構(gòu)的相互作用會給狄拉克費(fèi)米子引入質(zhì)量，從而抵消它們的獨(dú)特性質(zhì)。

有機(jī)材料因其可調(diào)諧的電子特性，成為了狄拉克費(fèi)米子的潛在宿主。α-ET2I3是一種被廣泛研究的有機(jī)電荷轉(zhuǎn)移配合物，這是一種電子在不同分子之間轉(zhuǎn)移的材料類型，這種轉(zhuǎn)移可以導(dǎo)致材料結(jié)構(gòu)內(nèi)形成新的電子能帶。研究團(tuán)隊(duì)假設(shè)α-ET2I3可能由于其構(gòu)成分子的電子結(jié)構(gòu)之間的相互作用而包含狄拉克費(fèi)米子。

電子自旋共振（ESR）光譜是一種用于探測材料中未配對電子的自旋特性的強(qiáng)大工具，它被證明是解開α-ET2I3奧秘的關(guān)鍵。通過分析ESR信號的溫度依賴性，研究人員觀察到100開爾文以上的明顯異常。他們認(rèn)為，這種異常可以歸因于材料內(nèi)部近乎3維的狄拉克費(fèi)米子，這些費(fèi)米子與傳統(tǒng)材料中通常發(fā)現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)費(fèi)米子共存。近三維狄拉克費(fèi)米子的存在歸因于ET和I3分子之間緊密的電荷轉(zhuǎn)移相互作用，導(dǎo)致了對溫度敏感的三維能帶結(jié)構(gòu)和與溫度無關(guān)的電阻率行為。

在有機(jī)晶體材料中發(fā)現(xiàn)近三維Dirac費(fèi)米子具有多方面的突破意義。首先，它挑戰(zhàn)了對固體帶結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)理解，因?yàn)槿S帶結(jié)構(gòu)不能在四維空間中描述。其次，用于分析這些帶結(jié)構(gòu)的方法，提供了一種其他方式無法獲得的重要信息的通用方式。含有狄拉克費(fèi)米子的材料因其獨(dú)特的電子屬性有可能徹底改變各種技術(shù)應(yīng)用，它們可能導(dǎo)致新電子設(shè)備、傳感器甚至量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展。