2017年6月19日，国际著名学术期刊《自然》在线发表了中国科学院物理研究所的一项最新成果：该所科研团队首次发现了突破传统分类的新型费米子——三重简并费米子，成为中科院物理所继“拓扑绝缘体”“量子反常霍尔效应”“外尔费米子”之后，在拓扑物态研究领域的又一项重大突破。
据悉，这一突破从理论预言、样品制备到实验观测的全过程，均由我国科学家独立完成：文章通讯作者为中科院物理所研究员丁洪、副研究员钱天、研究员石友国，并列第一作者为中科院物理所博士生吕佰晴（实验观测）、冯子力（样品制备）以及许秋楠（理论计算）。
外尔费米子
有关基本粒子的研究，一直都是现代物理学的重点之一。
组成宇宙的基本粒子可分为玻色子和费米子。现有的理论认为宇宙中可能存在三种类型的费米子——即狄拉克（Dirac）费米子、外尔（Weyl）费米子和马约拉纳（Majorana）费米子。其中，人们所熟知的电子、质子、中子等就是狄拉克费米子。
另一方面，固体中众多的电子受到周期性晶格和电子—电子间相互作用的影响，会表现出不同于单个自由电子的集体行为，这样的集体激发可以被看作是一个假想的新粒子，即所谓的“准粒子”。不同固体中电子的准粒子可以表现出不同的粒子行为，是基本粒子在固体中的“影子”。人们首先在固体中发现的是对应于无“质量”狄拉克费米子的准粒子。
2012年，中科院物理研究所方忠、戴希、翁红明研究组预言，在Na3Bi中存在无“质量”的三维狄拉克费米子。随后这一预言获得实验证实。
2015年，研究组又再度预言TaAs（砷化钽）家族材料中存在外尔费米子。之后，物理所陈根富研究组制备出TaAs单晶样品，丁洪、钱天研究组在上海光源“梦之线”和瑞士保罗谢勒研究所的实验站上观测到了TaAs晶体中的外尔费米子。
这是自1929年外尔费米子被预言之后，80多年来第一次展现在科学家面前，这一发现可谓是国际物理学研究的一项重要科学突破。据介绍，具有“手性”的外尔费米子的半金属能实现低能耗的电子传输，有望解决当前电子器件小型化和多功能化所面临的能耗问题，同时外尔费米子也受到对称性的保护，可以用来实现高容错的拓扑量子计算。
2015年年末，外尔费米子的发现入选美国物理学会评选的“2015年国际物理学八大亮点”、英国物理学会评选的“2015年物理世界十大突破”以及“2015年中国科学十大进展”“2015年中国十大科技进展新闻”。
三重简并费米子
与时空连续的宇宙空间不同，电子所处的“固体宇宙”只满足不连续的分立空间对称性，这就可能导致传统理论中没有的新型费米子。
长期以来，寻找新型费米子都是拓扑物态领域一个具有挑战性的前沿科学问题，也是该领域国际竞争的焦点之一。而中国物理学家一直在这个领域持续发力，并保持领先。
2016年4月，中科院物理所翁红明、方辰、戴希、方忠预言，在一类具有碳化钨晶体结构的材料中存在三重简并的电子态，其准粒子就是三重简并费米子，是不同于四重简并的狄拉克费米子和两重简并的外尔费米子的新型费米子。
之后，物理所石友国指导博士生冯子力迅速制备出碳化钨家族中的MoP（磷化钼）单晶样品，丁洪和钱天指导博士生吕佰晴，在上海光源“梦之线”和瑞士保罗谢勒研究所经过几个月的实验测量，终于成功解析出MoP的电子结构，观测到其中的三重简并点，而这与翁红明指导博士生许秋楠的计算结果高度吻合，首次实验证实了突破传统分类的三重简并费米子。
翁红明等人的理论工作指出，三重简并费米子态与狄拉克费米子、外尔费米子态不同，它对外加磁场的方向敏感，这使得含有它的母体材料具有磁场方向依赖的输运性质。
随后，在这一研究基础上，物理所陈根富研究组在碳化钨中观测到与狄拉克半金属和外尔半金属显著不同的方向依赖输运行为，德国马克斯—普朗克研究所的科学家在MoP中观测到极低电阻行为，这些都有可能是这种新型费米子的独特表现。
研究人员表示，“固体宇宙”中新型粒子的研究刚刚开始，这一研究成果对促进人们认识电子拓扑物态，发现新奇物理现象，开发新型电子器件，以及深入理解基本粒子性质都具有重要的意义。
2018年1月，经中国科学院院士和中国工程院院士投票评选，“中国科学家首次发现突破传统分类的新型费米子”正式入选“2017年中国十大科技进展新闻”。■