[论文解读] Kramers-Weyl fermions in the chiral charge density wave material (TaSe$_4$)$_2$I

Soyeun Kim, Robert C. McKay+12 more|arXiv (Cornell University)|Aug 24, 2021

Topological Materials and Phenomena参考文献 78被引用 6

一句话总结

本研究通过手性电荷密度波材料 (TaSe₄)₂I 的手性依赖激光角分辨光电子能谱（ARPES），首次提供了克勒默-外尔（Kramers-Weyl, KW）费米子的直接光谱证据，结合第一性原理与紧束缚模型计算，证实了在 N TRIM 点存在一个具有径向自旋纹理的拓扑保护 KW 节点，揭示了在约 260 K 附近电荷密度波（CDW）序与自旋纹理之间独特的相互作用。

ABSTRACT

The quasi-one-dimensional chiral charge density wave (CDW) material (TaSe$_4$)$_2$I has been recently predicted to host Kramers-Weyl (KW) fermions which should exist in the vicinity of high symmetry points in the Brillouin zone in chiral materials with strong spin-orbit coupling. However, direct spectroscopic evidence of KW fermions is limited. Here we use helicity-dependent laser-based angle resolved photoemission spectroscopy (ARPES) in conjunction with tight-binding and first-principles calculations to identify KW fermions in (TaSe$_4$)$_2$I. We find that topological and symmetry considerations place distinct constraints on the (pseudo-) spin texture and the observed spectra around a KW node. We further reveal an interplay between the spin texture around the chiral KW node and the onset of CDW order in (TaSe$_4$)$_2$I. Our findings highlight the unique topological nature of (TaSe$_4$)$_2$I and provide a pathway for identifying KW fermions in other chiral materials.

研究动机与目标

• 为手性材料 (TaSe₄)₂I 中克勒默-外尔（KW）费米子的存在提供直接实验证据，该粒子此前虽被预测但尚未通过光谱手段确认。
• 利用角分辨光电子能谱研究布里渊区 N TRIM 点处 KW 节点的自旋纹理与拓扑特性。
• 探索 (TaSe₄)₂I 中拓扑电子结构与手性电荷密度波（CDW）序形成之间的相互作用。
• 建立一种在具有强自旋-轨道耦合的其他手性材料中识别 KW 费米子的方法。

提出的方法

• 采用手性依赖激光角分辨光电子能谱（ARPES）在室温及以下温度下探测 (TaSe₄)₂I 的自旋纹理与能带结构。
• 利用密度泛函理论（DFT）与紧束缚模型计算电子能带结构，确认 N TRIM 点存在 KW 节点。
• 在 ARPES 中应用动量守恒原理，使用公式 $k_n = \sqrt{\frac{2m}{\hbar^2}[(h\nu - W)\cos^2\theta + V_0]}$ 估算 $k_n$，其中 $V_0 = 16$ eV 且 $W \sim 4.5$ eV。
• 通过温度依赖性 X 射线衍射（XRD）测量 CDW 转变温度，利用 BCS 能隙模型拟合卫星峰强度。
• 使用可调谐激光源与四分之一波片控制光子手性（左旋/右旋，LHC/RHC），实现手性依赖的光电子强度测量，以探测自旋纹理。
• 将结果与具有切向自旋纹理的参考体系 Bi₂Se₃ 对比，突出 KW 费米子特有的非对称径向自旋纹理特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 克勒默-外尔费米子是否存在于手性电荷密度波材料 (TaSe₄)₂I 中？能否通过光谱手段识别？
• RQ2 N TRIM 点处 KW 节点周围的自旋纹理性质为何？与传统拓扑表面态有何不同？
• RQ3 在约 260 K 时手性电荷密度波（CDW）序的形成如何与 KW 节点附近的电子结构和自旋纹理相关联？
• RQ4 手性依赖 ARPES 是否能够区分拓扑材料中径向（KW）与切向（TI）自旋纹理？
• RQ5 对称性与自旋-轨道耦合在手性晶体中稳定与探测 KW 费米子方面起何作用？

主要发现

• 通过手性依赖 ARPES 在 (TaSe₄)₂I 的 N TRIM 点首次直接观测到克勒默-外尔费米子节点。
• KW 节点周围的自旋纹理呈现径向（单极子型）分布，与拓扑绝缘体（如 Bi₂Se₃）中观察到的切向自旋纹理显著不同。
• 通过温度依赖性 XRD 测量与 BCS 能隙拟合，确定 (TaSe₄)₂I 的 CDW 转变温度为 $T_{\text{CDW}} \sim 260$ K。
• 在手性依赖激发下，KW 节点两侧光电子发射强度表现出明显不对称性，证实了自旋纹理的螺旋特性。
• 第一性原理与紧束缚模型计算证实了存在一个具有相反陈数的 KW 节点，与拓扑保护一致。
• 径向自旋纹理与 CDW 有序之间的相互作用表明，手性材料中拓扑电子结构与电荷有序之间存在耦合。