北京大学量子材料科学中心杜瑞瑞教授课题组和冯济教授课题组合作利用低温扫描隧道显微镜及谱学测量方法，在观测TaAs外尔半金属不同晶面构成的台阶边缘时，发现了原子尺度稳定的一维费米弧边界态，以及费米弧在不同晶面上由一维边界态向二维表面态的演变。相关成果发表于《国家科学评论》（National Science Review, NSR），第一作者为量子材料科学中心已出站博士后郑晓虎博士及2015级博士毕业生顾强强博士，量子材料科学中心杜瑞瑞教授和冯济教授为共同通讯作者。

图 TaAs外尔半金属（112）解离面上的一维边界态
如上图（左）所示，在TaAs晶体中，由于对称性破缺会产生手征外尔点，当投影于晶面后，会形成连接不同手征外尔点的非闭合费米面，此时的晶面具有费米弧拓扑态，(001)晶面便是这样的费米弧态晶面。而(110)晶面上由于不同手征外尔点会投影于晶面的同一点，因此不确定其是否具有这种费米弧拓扑态。实际上TaAs晶体中还存在(112) (114)等可能被解离或易于在晶体表面表现的晶面，但对于这些晶面上的拓扑态信息知之甚少。
本研究中，研究者利用低温隧道显微镜谱学测量，在TaAs单晶晶面台阶上（如上图（中）所示）观测到了原子尺度稳定的一维费米弧边界态，并通过对TaAs不同晶面的测量，监测到费米弧边界态随晶面指数变化从一维边界态到二维表面态的演化过程。上图（右）显示了在(112)解离面上观测到的清晰的一维费米弧边缘态。
理论计算模拟显示，当外尔点在晶面的投影不具有手征特性时，手征外尔点仍然能够实现在一维边界(原子台阶)上的投影，从而保证一维费米弧在边界处的局域行为。而当手征外尔点能够实现整个晶面的投影时，一维费米弧将浸没于二维拓扑表面态。
理论计算与实验结果的一致性表明，在三维外尔半金属中，拓扑体边一致性不仅存在于三维体态与二维表面态，对于一维边界态仍然适用。一维费米弧拓扑态的发现对于基于外尔半金属拓扑态的调制以及相关量子器件的研制具有重要的意义。
该研究得到了国家重点研发计划，中国科学院战略性先导科技专项，以及国家自然科学基金的支持。
研究详情请见原文：
Observation of 1D Fermi arc states in Weyl semimetal TaAs
https://doi.org/10.1093/nsr/nwab191

来源：北京大学量子材料科学中心