二維無質(zhì)量狄拉克（Dirac）費米子在二維動量空間具有線性色散關系，對于許多量子現(xiàn)象的出現(xiàn)起關鍵性的作用。其中一些量子現(xiàn)象受到二維無質(zhì)量狄拉費米子的費米速度的調(diào)控。因此，與二維無質(zhì)量狄拉克費米子的費米速度相關的標度關系是精確調(diào)控相關量子現(xiàn)象的重要基礎之一。之前，二維無質(zhì)量狄拉克費米子的費米速度被揭示與電荷自由度相關物理量具有標度關系。但是，二維無質(zhì)量狄拉克費米子的費米速度與其他自由度相關量之間的標度關系尚不清楚。存在于超導態(tài)的受拓撲保護的二維無質(zhì)量狄拉克費米子可為探索包括拓撲超導在內(nèi)的奇異量子現(xiàn)象提供平臺。然而，二維無質(zhì)量狄拉克費米子還未在鐵砷超導體系的超導體態(tài)被發(fā)現(xiàn)。

中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心極端條件物理重點實驗室EX1組諶志國研究員指導博士生呂承譜和徐越山（已畢業(yè)），與北京大學王楠林教授、萊斯大學戴鵬程教授、西南科技大學趙建洲副教授等合作者利用強磁場和低溫下紅外光譜研究了“111”型和“122”型鐵砷超導體系體態(tài)朗道能級之間躍遷的光學響應。他們首先在處于超導態(tài)的“111”型鐵砷超導體NaFeAs的相對光電導譜中觀察到兩套帶間朗道能級躍遷的吸收特征T1和T2（如圖(a)所示）。這兩套帶間朗道能級躍遷能量與磁場的根號成線性關系（如圖(b)所示），T1和T2能量之間的比值約為2.4（約等于1+√2）（如圖(b)中插圖所示），且?guī)чg朗道能級躍遷能量線性外延至零磁場時為零。此外，與第零朗道能級相關的朗道能級躍遷對應的光學吸收特征T1明顯強于其他朗道能級躍遷的光學吸收。DFT+DMFT計算顯示NaFeAs沿著動量方向kx和ky有色散為線性的能帶，但是，這些能帶沿著kz方向的色散極弱。以上光譜實驗與理論計算結(jié)果均表明二維無質(zhì)量狄拉克費米子存在于NaFeAs的超導體態(tài)。

另外，利用強磁場和低溫下紅外光譜測得的NaFeAs，BaFe2As2和CaFe2As2的體態(tài)朗道能級躍遷T1能量與磁場根號的線性關系（如圖(c)所示），得到NaFeAs中二維無質(zhì)量狄拉克費米子的費米速度 約為0.54 × 105 m/s，在BaFe2As2中 約為1.18 × 105m/s，在CaFe2As2中 約為2.16 × 105m/s，并發(fā)現(xiàn)NaFeAs和AFe2As2 (A = Ba,Ca)體態(tài)中的二維無質(zhì)量狄拉克費米子的費米速度與鐵-砷鍵長呈線性關系（如圖(d)所示）。

圖(a) 處于超導態(tài)的NaFeAs的相對光電導譜隨磁場的演化。(b) NaFeAs體態(tài)朗道能級之間躍遷的吸收特征T1和T2能量與磁場根號的關系。插圖顯示T1和T2能量之間的比值。(c) NaFeAs和AFe2As2 (A = Ba,Ca)體態(tài)朗道能級躍遷T1能量與磁場根號的關系。(d) NaFeAs和AFe2As2 (A = Ba,Ca)中的二維無質(zhì)量狄拉克費米子的費米速度與鐵-砷鍵長關系。

該研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、中國科學院先導專項、廣東省基礎與應用基礎研究基金等項目和綜合極端條件實驗裝置的支持。參與該工作的人員還包括:浙江大學宋宇研究員、萊斯大學博士后張承林和美國國家強磁場實驗室Mykhaylo Ozerov博士。該研究相關成果以Letter的形式發(fā)表在Physical Review B，并被選為編輯推薦(Editors’Suggestion)文章【詳見：Phys. Rev. B 111,L241110 (2025)】。

編輯：yhc