Imaging Orbital Vortex Lines in Three-Dimensional Momentum Space
Year: 2025
Type: article
Abstract: We report the experimental discovery of orbital vortex lines in the three-dimensional (3D) band structure of a topological semimetal. Combining linear and circular dichroism in soft x-ray angle-resolved photoemission (SX-ARPES) with first-principles theory, we image the winding of atomic orbital angular momentum, thereby revealing—and determining the location of—lines of vorticity in full 3D momentum space. We determine the core of the orbital angular momentum vortex to host an almost movable, twofold, spin-degenerate Weyl nodal line, a topological feature predicted to occur in certain nonsymmorphic crystals. These results establish bimodal dichroism in SX-ARPES as a robust approach to trace 3D orbital textures. Our findings constitute the first imaging of nontrivial quantum-phase winding at line nodes and may pave the way to new orbitronic phenomena in quantum materials.
Source: Physical Review X
Institutions: University of Würzburg, University of West Bohemia in Pilsen, Florida A&M University - Florida State University College of Engineering, National High Magnetic Field Laboratory, Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY, Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, Zhejiang University, Complexity, Topology and Dynamics in Quantum Matter, Max Planck Institute for the Physics of Complex Systems, University of Bologna, Norwegian University of Science and Technology
Language: English
Subfield: Condensed Matter Physics
Field: Physics and Astronomy
Domain: Physical Sciences
Open Access status: gold
Estimated APC paid: $4,200
Funders: National Science Foundation, Západočeská Univerzita v Plzni, National High Magnetic Field Laboratory, European Commission, National Research Foundation, Helmholtz-Gemeinschaft, Deutsche Forschungsgemeinschaft, Bundesministerium für Bildung und Forschung, Norges Forskningsråd, 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, H2020 Marie Skłodowska-Curie Actions
Awards: G1019936685, aB-IniTio calculations and MAchine learning for suPerconducting collective phenomena in novel materials, Verbundprojekt 05K2019 - QM-MBE-SXPES: Experimentelle Apparatur zur Molekularstrahlepitaxie komplexer Quantenmaterialien für Photoelektronenspektroskopie im Weichröntgenbereich am Strahlrohr P04 von PETRA III. Teilprojekt 1., Nanowissenschafts-Messplatz für in-situ-kombinierte winkel- und spinauflösende Photoelektronen-Spektroskopie und Rastertunnelmikroskopie am Weichröntgen-Strahlrohr des Speicherrings PETRA III, Verbundprojekt 05K2019 - QM-MBE-SXPES: Experimentelle Apparatur zur Molekularstrahlepitaxie komplexer Quantenmaterialien für Photoelektronenspektroskopie im Weichröntgenbereich am Strahlrohr P04 von PETRA III. Teilprojekt 2., G1630594612, 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, G2165927803, G2331788371, G3727369617, G434337789, Chalcogenides Superconductors: Nonconventional Superconductivity in New Phases, G5449040465, aB-IniTio calculations and MAchine learning for suPerconducting collective phenomena in novel materials, Verbundprojekt Höchstauflösende XUV-PES: Messplatz zur In-situ-Bestimmung von spin- und impulsaufgelöster elektronischer Struktur an der XUV-Beamline bei PETRA III. Teilprojekt 2., 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), National High Magnetic Field Laboratory Renewal 2023-2027, G73787605, G742574937, G7541729576, Sub-Mikrometer Fokussierungs- und Tieftemperatur-Probenscaneinheit für den spin- und impulsauflösenden Photoemissions-Messplatz ASPHERE III an der XUV-Beamline bei PETRA III, G7742120143, G8152425740
OpenAlex ID: W4407519782