[论文解读] Discovery of Weyl semimetal TaAs

Baoliang Lv, Hongming Weng+12 more|arXiv (Cornell University)|Feb 16, 2015

Topological Materials and Phenomena参考文献 21被引用 33

一句话总结

该论文通过角分辨光电子能谱（ARPES）实验观测到表面费米弧，首次实验证实TaAs为外尔半金属，第一性原理计算验证了外尔费米子的存在以及时间反演或空间反演对称性的破缺。该发现为外尔半金属这一拓扑材料类别提供了直接证据，其在动量空间中表现出手性异常和磁单极子特性。

ABSTRACT

Weyl semimetals are recently predicted class of materials that can be regarded as three-dimensional analogs of graphene breaking time reversal or inversion symmetry. Electrons in a Weyl semimetal behave as Weyl fermions, which have many exotic properties, such as chiral anomaly and magnetic monopoles in the crystal momentum space. The surface state of a Weyl semimetal displays pairs of entangled Fermi arcs at two opposite surfaces. However, the existence of Weyl semimetals has not yet been proved experimentally. Here we report the experimental realization of a Weyl semimetal in TaAs by observing Fermi arcs formed by its surface states using angle-resolved photoemission spectroscopy. Our first-principles calculations, matching remarkably well with the experimental results, further confirm that TaAs is a Weyl semimetal.

研究动机与目标

• 通过实验验证理论上预测的拓扑材料类别——外尔半金属的存在，其特征为外尔费米子。
• 识别出由于时间反演或空间反演对称性破缺而出现外尔费米子的材料体系。
• 实验观测并表征外尔半金属所预测的特征表面态费米弧。
• 通过第一性原理电子结构计算验证实验观测结果。

提出的方法

• 采用角分辨光电子能谱（ARPES）测量TaAs表面的电子能带结构。
• 通过第一性原理密度泛函理论（DFT）计算，模拟TaAs的电子结构和拓扑性质。
• 将计算得到的能带结构与ARPES实验测量结果直接对比，确认外尔点和费米弧的存在。
• 分析聚焦于识别具有拓扑保护特性的特征表面态以及动量空间中的单极子。
• 通过对称性分析确认时间反演或空间反演对称性的破缺，这是外尔半金属行为的先决条件。

实验结果

研究问题

• RQ1 TaAs是否如理论预测的那样存在外尔费米子？
• RQ2 外尔半金属所特有的表面费米弧能否在实验中被观测到？
• RQ3 TaAs的电子结构是否与第一性原理计算所预测的外尔半金属相一致？
• RQ4 时间反演或空间反演对称性破缺在稳定TaAs中外尔点的过程中起什么作用？

主要发现

• ARPES测量结果显示，表面态形成费米弧，其连接动量空间中外尔点的投影。
• 观测到的费米弧具有拓扑保护特性，与外尔半金属行为的理论预测一致。
• 第一性原理计算与实验ARPES数据高度吻合，证实TaAs中存在外尔节点。
• TaAs的电子结构表现出时间反演或空间反演对称性的破缺，从而支持外尔费米子的形成。
• 该材料包含类型-I外尔费米子，其在接近外尔点处具有线性色散关系，支持手性异常等奇异量子现象。