[论文解读] Time-reversal symmetry breaking Weyl state in YbMnBi2

С. В. Борисенко, D. V. Evtushinsky+7 more|arXiv (Cornell University)|Jul 17, 2015

Topological Materials and Phenomena参考文献 13被引用 10

一句话总结

该论文通过角分辨光电子能谱实验实现了在YbMnBi2中时间反演对称性破缺的外尔态，直接观测到连接外尔点的拓扑表面态。该发现揭示了一条在量子材料中设计奇异费米子准粒子的新途径，弥合了高能物理与凝聚态物理之间的鸿沟。

ABSTRACT

Detection of Dirac, Majorana and Weyl fermions in real materials may significantly strengthen the bridge between high-energy and condensed-matter physics. While the presence of Dirac fermions is well established in graphene and topological insulators, Majorana particles have been reported recently and evidence for Weyl fermions in non-centrosymmetric crystals has been found only a couple of months ago, the 'magnetic' Weyl fermions are still elusive despite numerous theoretical predictions and intense experimental search. In order to detect a time-reversal symmetry breaking Weyl state we designed two materials with Fermi velocities superior to that of graphene and present here the experimental evidence of realization of such a state in one of them, YbMnBi2. Using angle-resolved photoemission, we directly observe Weyl points and a hallmark of this exotic state - the arc of the surface states which connects these points. Our results not only provide a fundamental link between the two areas of physics, but also demonstrate the practical way to design novel materials with exotic properties.

研究动机与目标

• 检测尚未在真实材料中实验观测到的、理论预测存在的磁性外尔费米子。
• 识别具有高费米速度的材料，以增强外尔态的可观测性。
• 为非中心对称晶体中时间反演对称性破缺的外尔态提供实验证据。
• 建立高能物理概念与拓扑量子材料之间的直接联系。
• 展示一种可实际应用的设计策略，用于构建具有奇异电子性质的新量子材料。

提出的方法

• 采用角分辨光电子能谱（ARPES）探测YbMnBi2的电子能带结构。
• 选择YbMnBi2材料，因其具有高费米速度且具备时间反演对称性破缺的潜力。
• 通过ARPES测量识别体相能带结构中的外尔点。
• 分析表面态以探测连接外尔点的特征费米弧态。
• 利用YbMnBi2中外尔半金属行为的理论预测指导实验搜索。
• 与第二种设计材料的对比分析，证实了在YbMnBi2中观测到的态的独特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在真实材料中实验实现并探测到时间反演对称性破缺的外尔态？
• RQ2 高费米速度在增强外尔费米子可观测性方面起到何种作用？
• RQ3 YbMnBi2中的拓扑表面态是否以费米弧的形式连接外尔点？
• RQ4 YbMnBi2的电子结构如何支持奇异费米子准粒子的存在？
• RQ5 非中心对称材料的设计能否导致磁性外尔态的稳定？

主要发现

• 通过角分辨光电子能谱在YbMnBi2的体相能带结构中直接观测到外尔点。
• 实验确认了连接外尔点的费米弧表面态存在，这是外尔半金属相的典型特征。
• 观测到的外尔态表现出时间反演对称性破缺，与磁性外尔费米子的理论预测一致。
• YbMnBi2的费米速度优于石墨烯，增强了拓扑特征的可见性。
• 该结果为真实材料中时间反演对称性破缺的外尔态提供了首个实验证据。
• 本研究展示了设计具有奇异拓扑性质的量子材料的可行路径。