[論文レビュー] New classes of chiral topological nodes with non-contractible surface Fermi arcs in CoSi

Zhicheng Rao, Hongcheng Li+19 more|arXiv (Cornell University)|Jan 10, 2019

Topological Materials and Phenomena参考文献 34被引用数 96

ひとこと要約

本論文は、CoSiにおけるスピン-1および電荷-2のディラック・キラルノードの実験的発見を報告しており、非可約的な表面フェルミアークが表面ブリルアンゾーン全体で接続され、ARPESにより観測された。

ABSTRACT

In condensed matter systems, chiral topological nodes are robust band crossing points in momentum space that carry nonzero Chern numbers. The chirality is manifested by the presence of surface Fermi arcs connecting the projections of nodes with opposite Chern numbers. In addition to the well-known Weyl nodes, theorists have proposed several other types of chiral topological nodes in condensed matter systems, but the direct experimental evidence of their existence is still lacking. Here, using angle-resolved photoemission spectroscopy, we reveal two types of new chiral nodes, namely the spin-1 nodes and charge-2 Dirac nodes, at the band crossing points near the Fermi level in CoSi, the projections of which on the (001) surface are connected by topologically protected surface Fermi arcs. As these chiral nodes in CoSi are enforced at the Brillouin zone (BZ) center and corner by the crystalline symmetries, the surface Fermi arcs connecting their projections form a non-contractible path traversing the entire (001) surface BZ, in sharp contrast to pairs of Weyl nodes with small separation. Our work marks the first experimental observation of chiral topological nodes beyond the Weyl nodes both in the bulk and on the surface in condensed matter systems.

研究の動機と目的

• 凝縮系物理学における Weyl ノードを超えるキラルトポロジカルノードの探索を動機付ける。
• CoSi における新しいノード種（スピン-1および電荷-2ディラック）の存在と表面の連結性を実証する。
• 結晶対称性がBrillouin zoneの高対称点でこれらのノードを強制的に生じさせることを示す。

提案手法

• 角度分解光電子分光法（ARPES）を用いてフェルミエネルギー付近のボルクバンド交差を探る。
• Brillouin zoneの中心および角でスピン-1および電荷-2ディラックノードを識別・特徴づける。
• (001)表面における表面フェルミアークを描き、表面BZ全体にわたる非可約的トポロジーを確立する。
• 結晶対称性の制約を活用してノードの強制と表面状態の連結を説明する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CoSiのフェルミエネルギー付近にスピン-1および電荷-2のディラック様キラルノードは存在するか？
• RQ2 表面フェルミアークは(001)表面BZを貫く非可約的な経路でノードの投影を結ぶことができるか？
• RQ3 これらのノードはCoSiの特定のブリルアンゾーン点（中心と角）で対称性によって強制されるか？

主な発見

• 新しい2種類のキラルノードが観測される：CoSiのフェルミエネルギー付近にスピン-1ノードと電荷-2ディラックノード。
• これらノードの(001)表面投影はトポロジー的に保護された表面フェルミアークによって連結される。
• 表面フェルミアークは(001)表面Brillouin zone全体を横断する非可約的経路を形成する。
• ノードはBrillouin zoneの中心と角で結晶対称性によって強制される。
• これは凝縮系物理学におけるWeylノードを超えるキラルトポロジーノードの最初の実験的観測である。）