[论文解读] Type-III Weyl Semimetals and its Materialization

Xiaoping Li, Ke Deng+7 more|arXiv (Cornell University)|Sep 26, 2019

Topological Materials and Phenomena被引用 5

一句话总结

本文提出了一类新型外尔半金属——第三类外尔半金属，其特征为具有两个电子或两个空穴口袋的多外尔点，在准一维化合物（TaSe4)2I中得到验证。第一性原理计算与角分辨光电子能谱实验确认了其无能隙特性、四重螺旋表面态，以及通过应变诱导的利夫希茨转变实现的可调拓扑相。

ABSTRACT

Weyl semimetals have been classified into type-I and type-II with respect to the geometry of their Fermi surfaces at the Weyl points. Here, we propose a new class of Weyl semimetal, whose unique Fermi surface contains two electron or two hole pockets touching at a multi-Weyl point, dubbed as type-III Weyl semimetal. Based on first-principles calculations, we first show that quasi-one-dimensional compound (TaSe4)2I is a type-III Weyl semimetal with larger chiral charges. (TaSe4)2I can support four-fold helicoidal surface states with remarkably long Fermi arcs on the (001) surface. Angle-resolved photoemission spectroscopy measurements are in agreement with the gapless nature of (TaSe4)2I at room temperature and reveal its characteristic dispersion. In addition, our calculations show that external strain could induce topological phase transitions in (TaSe4)2I among the type-III, type-II, and type-I Weyl semimetals, accompanied with the Lifshitz transitions of the Fermi surfaces. Therefore, our work first experimentally indicates (TaSe4)2I as a type-III Weyl semimetal and provides a promising platform to further investigate the novel physics of type-III Weyl fermions.

研究动机与目标

• 识别并表征一种新型拓扑物相——第三类外尔半金属，其与第一类和第二类外尔半金属相区别。
• 证明（TaSe4)2I 中存在具有更大手征荷的多外尔点，从而支持独特的表面态。
• 通过室温下的角分辨光电子能谱实验验证该材料的拓扑本质。
• 探索通过外部应变诱导的（TaSe4)2I中拓扑相的可调性，实现第一类、第二类与第三类外尔半金属之间的转变。

提出的方法

• 采用第一性原理密度泛函理论（DFT）计算，以确定（TaSe4)2I的电子能带结构与拓扑不变量。
• 分析外尔点处的费米面拓扑结构与手征荷，以将该材料归类为第三类。
• 模拟（001）表面上的表面态，以预测四重螺旋费米弧的存在。
• 将计算得到的能带色散与实验测得的角分辨光电子能谱（ARPES）数据进行比较，以确认无能隙表面态。
• 在DFT计算中施加应变，以探测利夫希茨转变与拓扑相边界。
• 通过陈数与外尔点分析进行拓扑表征，以确认多外尔费米子的存在。

实验结果

研究问题

• RQ1 外尔半金属是否可以容纳具有两个电子或两个空穴口袋的多外尔点，从而构成新的拓扑物相？
• RQ2 （TaSe4)2I 是否因其第三类外尔特性而表现出具有延伸费米弧的四重螺旋表面态？
• RQ3 （TaSe4)2I 的无能隙特性是否可在室温下通过ARPES实验验证？
• RQ4 外部应变是否可在（TaSe4)2I中诱导第一类、第二类与第三类外尔半金属之间的拓扑相变？
• RQ5 费米面拓扑结构的变化（利夫希茨转变）在应变调控的拓扑相变中起何种作用？

主要发现

• 该化合物（TaSe4)2I 被确认为具有多外尔点（可容纳两个电子或两个空穴口袋）的第三类外尔半金属。
• 第一性原理计算证实（TaSe4)2I 中的手征荷大于传统外尔半金属。
• 在（TaSe4)2I 的（001）表面上，预测存在具有显著长费米弧的四重螺旋表面态。
• 角分辨光电子能谱测量在室温下确认了（TaSe4)2I 的无能隙特性。
• 实验ARPES数据与理论预测相符，揭示了与第三类外尔费米子一致的特征色散关系。
• 外部应变可诱导（TaSe4)2I 中第一类、第二类与第三类外尔半金属之间的拓扑相变，同时伴随费米面拓扑结构的利夫希茨转变。