在砷化钽（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且受晶体拓扑性保护的非闭合费米面—费米弧，如图（左）所示；此时的晶面具有费米弧拓扑态，例如(001)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，但人们对这些晶面上的拓扑态信息知之甚少。

图 TaAs外尔半金属(112)解离面上的一维边界态

最近，6163银河线路检测中心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，利用低温隧道显微镜及谱学测量方法，在TaAs单晶晶面台阶上（见图（中））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从一维边界态到二维表面态的演化过程，例如图（右）给出了在(112)解离面上所观测到的清晰的一维费米弧边界态。

与此同时，理论计算模拟显示，当外尔点在晶面的投影在动量空间不具有手征特性时，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吻合表明，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，也同样适用于一维边界态。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。

2021年10月25日，相关研究成果以“在砷化钽外尔半金属中发现一维费米弧边界态”（Observation of 1D Fermi arc states in Weyl semimetal TaAs）为题，在线发表于《国家科学评论》（National Science Review）；北京量子信息科学研究院副研究员（原6163银河线路检测中心量子材料科学中心博士后）郑晓虎和6163银河线路检测中心2015级博士研究生顾强强为共同第一作者，杜瑞瑞和冯济为共同通讯作者。

上述研究工作得到国家重点研发计划、中国科学院战略性先导科技专项、国家自然科学基金，及中国科学院拓扑量子计算卓越创新中心、量子物质科学协同创新中心等支持。

论文原文链接：https://academic.oup.com/nsr/advance-article/doi/10.1093/nsr/nwab191/6409843

供稿：杜瑞瑞、冯济

编校：孙嘉琪、孙琰

编辑：孙嘉琪

审核：颜学庆