[论文解读] Visualizing higher-fold topology in chiral crystals

Tyler A. Cochran, Ilya Belopolski+22 more|arXiv (Cornell University)|Apr 23, 2020

Topological Materials and Phenomena被引用 4

一句话总结

本研究利用紫外角分辨光电子能谱（ARPES）在手性 RhₓNi_ySi 晶体中发现了一种类梯子结构的费米弧，揭示了在动量-能量空间中堆叠的两组手性表面态。关键结果是实验确认了多带隙手性电荷 C = (2,2)，确立了一类具有涌现梯子状拓扑结构的新型高次拓扑量子物质。

ABSTRACT

Novel topological phases of matter are fruitful platforms for the discovery of unconventional electromagnetic phenomena. Higher-fold topology is one example, where the low-energy description goes beyond Standard Model analogs. Despite intensive experimental studies, conclusive evidence remains elusive for the extit{multi-gap topological nature of higher-fold chiral fermions}. In this Letter, we leverage a combination of fine-tuned chemical engineering and photoemission spectroscopy with photon energy contrast to discover the higher-fold topology of a chiral crystal. We identify all bulk branches of a higher-fold chiral fermion for the first time, critically important for allowing us to explore unique Fermi arc surface states in multiple inter-band gaps, which exhibit an emergent ladder structure. Through designer chemical gating of the samples in combination with our measurements, we uncover an unprecedented multi-gap bulk boundary correspondence. Our demonstration of multi-gap electronic topology will propel future research on unconventional topological responses.

研究动机与目标

• 旨在实验探测超越单带隙拓扑体系的量子材料中高次拓扑结构。
• 识别并表征具有多个非平庸能带间隙的手性费米子材料中的多带隙拓扑不变量。
• 确立费米弧梯子作为能量-动量空间中拓扑保护的涌现结构的存在。
• 通过表面态映射在 RhₓNi_ySi 单晶中确定多带隙手性电荷 C = (2,2)。
• 为在具有多个带间间隙的量子材料中识别复杂拓扑相提供通用框架。

提出的方法

• 在先进光源 Beamline 4.0.3 处采用紫外角分辨光电子能谱（ARPES）映射电子态。
• 在原位条件下进行样品处理，包括 Ar⁺ 离子溅射和超高真空下的热退火，以获得清洁表面。
• 采用垂直布里奇曼法生长单晶，并控制过量 Si 以实现 RhₓNi_ySi 的助熔剂生长。
• 通过能量色散 X 射线（EDX）谱和 X 射线衍射确认化学计量比和晶体结构。
• 采用含 17×17×17 k 点网格的从头算密度泛函理论（DFT）计算，模拟电子能带结构。
• 利用 X 射线衍射数据优化晶体结构，包括采用弗拉克参数分析确认单手性结构域的形成。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在量子材料中实验观测到具有多个非平庸能带间隙的高次拓扑相？
• RQ2 多带隙体系中的手性表面态是否在动量-能量空间中形成类梯子结构？
• RQ3 具有高次简并的手性费米子材料中，多带隙手性电荷 C = (C₁, C₂, ..., Cₙ₋₁) 是什么？
• RQ4 当存在多个带间间隙时，体-边界对应关系如何体现？
• RQ5 费米弧梯子能否被识别为高次拓扑性的拓扑保护特征？

主要发现

• ARPES 测量直接揭示了两组不同的手性表面态在动量-能量空间中形成类梯子结构。
• 实验确定了多带隙手性电荷为 C = (2,2)，表明每个能带间隙中存在两个拓扑保护的费米弧。
• 费米弧梯子结构是拓扑保护的，并作为材料中高次手性费米子特性的直接结果而涌现。
• 单晶 X 射线衍射确认了 B 型结构，弗拉克参数为 -0.01(11)，表明为单手性结构域。
• 通过 EDX 和 XRD 精确测定的成分分析为 Rh₀.₉₅₅Ni₀.₀₄₅Si，证实 Ni 替代 Rh 位点的合金成分。
• 磁化率测量显示其具有本征抗磁性，无长程磁有序，支持无磁性杂质或相分离的存在。