[논문 리뷰] New classes of chiral topological nodes with non-contractible surface Fermi arcs in CoSi

Zhicheng Rao, Hongcheng Li외 19명|arXiv (Cornell University)|2019. 01. 10.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 34인용 수 96

한 줄 요약

이 논문은 CoSi에서 spin-1 및 charge-2 Dirac chiral 노드의 실험적 발견과, 표면 Brillouin 구역 전체를 가로지르는 비수축성 표면 Fermi arcs가 ARPES에 의해 관찰되었음을 보고한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 응집물질 시스템에서 Weyl 노드를 넘어서는 chiral 위상학적 노드 탐색의 동기를 부여한다.
• CoSi에서 새로운 노드 유형인 spin-1 및 charge-2 Dirac의 존재와 표면 연결성을 입증한다.
• 결정 대칭성이 Brillouin 구역의 고대칭 점에서 이 노드들을 강제한다는 것을 보여준다.

제안 방법

• angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES)를 사용하여 페르미 준위 근처의 벌크 밴드 교차를 탐색한다.
• Brillouin 구역 중심과 모서리에서 spin-1 및 charge-2 Dirac 노드를 확인하고 특성화한다.
• (001) 표면에서 표면 Fermi arcs를 지도화하고 표면 BZ를 가로지르는 비수축적 위상을 확립한다.
• 결정 대칭 제약을 활용하여 노드 강제 및 표면 상태 연결성을 설명한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CoSi에서 Fermi 준위 근처에 spin-1 및 charge-2 Dirac 유사 chiral 노드가 존재하는가?
• RQ2 표면 Fermi arcs가 (001) 표면 BZ 전체를 가로지르는 비수축 경로로 노드 프젝션들을 연결할 수 있는가?
• RQ3 이 노드들이 CoSi의 특정 Brillouin 구역 점(중앙 및 모서리)에서 대칭에 의해 강제되는가?

주요 결과

• CoSi에서 Fermi 준위 근처의 spin-1 노드와 charge-2 Dirac 노드라는 두 가지 새로운 chiral 노드 유형이 관찰된다.
• (001) 표면에 이 노드들의 프젝션이 위상적으로 보호된 표면 Fermi arcs에 의해 연결된다.
• 표면 Fermi arcs는 전체 (001) 표면 Brillouin zone를 가로지르는 비수축 경로를 형성한다.
• 노드들은 Brillouin 구역 중심과 모서리에서 결정 대칭에 의해 강제된다.
• 이는 응집물질 시스템에서 Weyl 노드 외의 chiral 위상학적 노드를 최초로 실험적으로 관찰한 것에 해당한다.