Year: 2021
Type: article
Abstract: Since the early days of Dirac flux quantization, magnetic monopoles have been sought after as a potential corollary of quantized electric charge. As opposed to magnetic monopoles embedded into the theory of electromagnetism, Weyl semimetals (WSM) exhibit Berry flux monopoles in reciprocal parameter space. As a function of crystal momentum, such monopoles locate at the crossing point of spin-polarized bands forming the Weyl cone. Here, we report momentum-resolved spectroscopic signatures of Berry flux monopoles in TaAs as a paradigmatic WSM. We carried out angle-resolved photoelectron spectroscopy at bulk-sensitive soft X-ray energies (SX-ARPES) combined with photoelectron spin detection and circular dichroism. The experiments reveal large spin- and orbital-angular-momentum (SAM and OAM) polarizations of the Weyl-fermion states, resulting from the broken crystalline inversion symmetry in TaAs. Supported by first-principles calculations, our measurements image signatures of a topologically non-trivial winding of the OAM at the Weyl nodes and unveil a chirality-dependent SAM of the Weyl bands. Our results provide directly bulk-sensitive spectroscopic support for the non-trivial band topology in the WSM TaAs, promising to have profound implications for the study of quantum-geometric effects in solids.
Source: Nature Communications
Authors: M. Ünzelmann, H. Bentmann, T. Figgemeier, P. Eck, J. N. Neu, B. Geldiyev, F. Diekmann, S. Rohlf, J. Buck, M. Hoesch, M. Kalläne, K. Rossnagel, R. Thomale, T. Siegrist, G. Sangiovanni, D. Di Sante, F. Reinert
Institutions: University of Würzburg, Complexity, Topology and Dynamics in Quantum Matter, Florida A&M University - Florida State University College of Engineering, National High Magnetic Field Laboratory, Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY, Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, Flatiron Institute, University of Bologna
Language: English
Subfield: Condensed Matter Physics
Field: Physics and Astronomy
Domain: Physical Sciences
Open Access status: gold
Estimated APC paid: $3,721
Funders: National Science Foundation, National High Magnetic Field Laboratory, European Commission, National Research Foundation, Deutsche Forschungsgemeinschaft, Bundesministerium für Bildung und Forschung, Julius-Maximilians-Universität Würzburg, Gauss Centre for Supercomputing, Deutsches Elektronen-Synchrotron, Leibniz-Gemeinschaft, Leibniz-Rechenzentrum, Division of Materials Research, High Magnetic Field Laboratory, Chinese Academy of Sciences, State of Florida
Awards: G1138554163, aB-IniTio calculations and MAchine learning for suPerconducting collective phenomena in novel materials, Nanowissenschafts-Messplatz für in-situ-kombinierte winkel- und spinauflösende Photoelektronen-Spektroskopie und Rastertunnelmikroskopie am Weichröntgen-Strahlrohr des Speicherrings PETRA III, National High Magnetic Field Laboratory Renewal 2018-2022, Verbundprojekt Höchstauflösende XUV-PES: Messplatz zur In-situ-Bestimmung von spin- und impulsaufgelöster elektronischer Struktur an der XUV-Beamline bei PETRA III. Teilprojekt 1., G2152757567, G2158694287, G2331788371, SFB 1170: Topologische und korrelierte Elektronik in Ober und Grenzflächen ("ToCoTronics"), G354028113, G3560959519, G410635398, G434337789, Chalcogenides Superconductors: Nonconventional Superconductivity in New Phases, G4645309678, G4722377433, G4962813667, G5449040465, G5597825783, Verbundprojekt Höchstauflösende XUV-PES: Messplatz zur In-situ-Bestimmung von spin- und impulsaufgelöster elektronischer Struktur an der XUV-Beamline bei PETRA III. Teilprojekt 2., G6010147111, Verbundprojekt: Höchstauflösende XUV-Photoelektronenspektroskopie bei PETRA III für In-situ-Echtzeit-Untersuchungen dynamischer Prozesse in Nanostrukturen. Teilprojekt 1., Verbundprojekt: Höchstauflösende XUV-Photoelektronenspektroskopie bei PETRA III für In-situ-Echtzeit-Untersuchungen dynamischer Prozesse in Nanostrukturen. Teilprojekt 2., EXC 2147: Komplexität und Topologie in Quantenmaterialien (CT.QMAT), G73787605, G7541729576, Sub-Mikrometer Fokussierungs- und Tieftemperatur-Probenscaneinheit für den spin- und impulsauflösenden Photoemissions-Messplatz ASPHERE III an der XUV-Beamline bei PETRA III, G7742120143
OpenAlex ID: W3111718564