Forschung: Die unendliche Berry-Krümmung von Weyl-Fermi-Bögen

Es ist wohlbekannt, dass die Berry-Krümmung (BK) der elektronischen Bänder eines Festkörpers einen großen Einfluss auf eine Vielzahl von Materialeigenschaften hat. Ein bekanntes Beispiel für divergierende BK sind Weyl-Halbmetalle (WHM), in deren Inneren sich zwei Bänder linear in einem Punkt berühren, dem sogenannten Weyl-Kegel, und zu einem BK Hot-Spot um diesen Punkt führen. Weniger bekannt ist, was auf der Oberfläche eines WHMs passiert, insbesondere hinsichtlich der topologisch geschützten Fermi-Bögen. In unserer Arbeit zeigen wir, dass es im Allgemeinen neben den Fermi-Bögen eine ganze "Hot-Line" gibt, entlang der die BK divergiert, wenn der Weyl-Kegel in Richtung der Oberfläche geneigt ist.

Üblicherweise spiegelt eine divergierende BK eine schnelle Änderung der Wellenfunktion in Abhängigkeit vom Kristallimpuls wider. In dem hier betrachteten Fall eines WHM mit Oberfläche ist jedoch die Eindringtiefe der Wellenfunktion entscheidend und in der Tat trennt die Hot-Line die Zustände, welche auf der Oberfläche lokalisiert sind, von den delokalisierten 3D Zuständen aus dem Inneren.

Man erwartet, dass die große BK auf der Oberfläche sich in einer Vielzahl von physikalischen Effekten zeigt. Insbesondere verursacht das Dipolmoment der BK einen riesigen Beitrag zum nichtlinearen Hall-Effekt, welcher, wie wir zeigen konnten, linear mit der Dicke des Materials wächst. Bemerkenswerterweise kann dies selbst in Systemen, die keinen BK-Dipol im Inneren besitzen, beobachtet werden.

D. Wawrzik, J.-S. You, J. I. Facio, J. van den Brink, I. Sodemann,
Infinite Berry Curvature of Weyl Fermi Arcs,
Phys. Rev. Lett. 127, 056601 (2021) (arXiv)