Papers
Topics
Authors
Recent
Gemini 2.5 Flash
Gemini 2.5 Flash
173 tokens/sec
GPT-4o
7 tokens/sec
Gemini 2.5 Pro Pro
46 tokens/sec
o3 Pro
4 tokens/sec
GPT-4.1 Pro
38 tokens/sec
DeepSeek R1 via Azure Pro
28 tokens/sec
2000 character limit reached

Quasicrystalline second-order topological semimetals (2307.04334v1)

Published 10 Jul 2023 in cond-mat.mes-hall

Abstract: Three-dimensional higher-order topological semimetals in crystalline systems exhibit higher-order Fermi arcs on one-dimensional hinges, challenging the conventional bulk-boundary correspondence. However, the existence of higher-order Fermi arc states in aperiodic quasicrystalline systems remains uncertain. In this work, we present the emergence of three-dimensional quasicrystalline second-order topological semimetal phases by vertically stacking two-dimensional quasicrystalline second-order topological insulators. These quasicrystalline topological semimetal phases are protected by rotational symmetries forbidden in crystals, and are characterized by topological hinge Fermi arcs connecting fourfold degenerate Dirac-like points in the spectrum. Our findings reveal an intriguing class of higher-order topological phases in quasicrystalline systems, shedding light on their unique properties.

Definition Search Book Streamline Icon: https://streamlinehq.com
References (75)
  1. W. A. Benalcazar, B. A. Bernevig,  and T. L. Hughes, “Quantized electric multipole insulators”, Science 357, 61 (2017a).
  2. F. Schindler, A. M. Cook, M. G. Vergniory, Z. Wang, S. S. P. Parkin, B. A. Bernevig,  and T. Neupert, “Higher-order topological insulators”, Sci. Adv. 4, eaat0346 (2018).
  3. J. Langbehn, Y. Peng, L. Trifunovic, F. von Oppen,  and P. W. Brouwer, “Reflection-symmetric second-order topological insulators and superconductors”, Phys. Rev. Lett. 119, 246401 (2017).
  4. W. A. Benalcazar, B. A. Bernevig,  and T. L. Hughes, “Electric multipole moments, topological multipole moment pumping, and chiral hinge states in crystalline insulators”, Phys. Rev. B 96, 245115 (2017b).
  5. Z. Song, Z. Fang,  and C. Fang, “(d−2)𝑑2(d-2)( italic_d - 2 )-dimensional edge states of rotation symmetry protected topological states”, Phys. Rev. Lett. 119, 246402 (2017).
  6. C.-Z. Li, A.-Q. Wang, C. Li, W.-Z. Zheng, A. Brinkman, D.-P. Yu,  and Z.-M. Liao, “Reducing electronic transport dimension to topological hinge states by increasing geometry size of Dirac semimetal Josephson junctions”, Phys. Rev. Lett. 124, 156601 (2020).
  7. S. Nie, J. Chen, C. Yue, C. Le, D. Yuan, Z. Wang, W. Zhang,  and H. Weng, “Tunable Dirac semimetals with higher-order Fermi arcs in Kagome lattices Pd33{}_{3}start_FLOATSUBSCRIPT 3 end_FLOATSUBSCRIPTPb22{}_{2}start_FLOATSUBSCRIPT 2 end_FLOATSUBSCRIPTX22{}_{2}start_FLOATSUBSCRIPT 2 end_FLOATSUBSCRIPT (X=S,Se)”, Science Bulletin 67, 1958 (2022).
  8. Y. Fang and J. Cano, “Classification of Dirac points with higher-order Fermi arcs”, Phys. Rev. B 104, 245101 (2021).
  9. B. J. Wieder, Z. Wang, J. Cano, X. Dai, L. M. Schoop, B. Bradlyn,  and B. A. Bernevig, “Strong and fragile topological Dirac semimetals with higher-order Fermi arcs”, Nat. Commun. 11, 627 (2020).
  10. X.-T. Zeng, Z. Chen, C. Chen, B.-B. Liu, X.-L. Sheng,  and S. A. Yang, “Topological hinge modes in Dirac semimetals”, Front. Phys. 18, 13308 (2023).
  11. A. L. Szabó and B. Roy, “Dirty higher-order dirac semimetal: Quantum criticality and bulk-boundary correspondence”, Phys. Rev. Res. 2, 043197 (2020).
  12. M. Lin and T. L. Hughes, “Topological quadrupolar semimetals”, Phys. Rev. B 98, 241103 (2018).
  13. R. Chen, T. Liu, C. M. Wang, H.-Z. Lu,  and X. C. Xie, “Field-tunable one-sided higher-order topological hinge states in Dirac semimetals”, Phys. Rev. Lett. 127, 066801 (2021a).
  14. Z.-M. Wang, R. Wang, J.-H. Sun, T.-Y. Chen,  and D.-H. Xu, “Floquet Weyl semimetal phases in light-irradiated higher-order topological Dirac semimetals”, arXiv: 2210.01012  (2022a).
  15. K. Wang, J.-X. Dai, L. B. Shao, S. A. Yang,  and Y. X. Zhao, “Boundary criticality of 𝒫⁢𝒯𝒫𝒯\mathcal{PT}caligraphic_P caligraphic_T-invariant topology and second-order nodal-line semimetals”, Phys. Rev. Lett. 125, 126403 (2020).
  16. D.-T. Tran, A. Dauphin, N. Goldman,  and P. Gaspard, “Topological Hofstadter insulators in a two-dimensional quasicrystal”, Phys. Rev. B 91, 085125 (2015).
  17. C. W. Duncan, S. Manna,  and A. E. B. Nielsen, “Topological models in rotationally symmetric quasicrystals”, Phys. Rev. B 101, 115413 (2020).
  18. Z. Li and Z. F. Wang, “Quantum anomalous hall effect in twisted bilayer graphene quasicrystal”, Chin. Phys. B 29, 107101 (2020).
  19. J. Jeon, M. J. Park,  and S. Lee, “Length scale formation in the Landau levels of quasicrystals”, Phys. Rev. B 105, 045146 (2022).
  20. A.-L. He, L.-R. Ding, Y. Zhou, Y.-F. Wang,  and C.-D. Gong, “Quasicrystalline Chern insulators”, Phys. Rev. B 100, 214109 (2019).
  21. S. Traverso, M. Sassetti,  and N. T. Ziani, “Role of the edges in a quasicrystalline Haldane model”, Phys. Rev. B 106, 125428 (2022).
  22. H. Huang and F. Liu, “Quantum spin Hall effect and spin Bott index in a quasicrystal lattice”, Phys. Rev. Lett. 121, 126401 (2018).
  23. S. Spurrier and N. R. Cooper, “Kane-mele with a twist: Quasicrystalline higher-order topological insulators with fractional mass kinks”, Phys. Rev. Res. 2, 033071 (2020a).
  24. M. A. Bandres, M. C. Rechtsman,  and M. Segev, “Topological photonic quasicrystals: Fractal topological spectrum and protected transport”, Phys. Rev. X 6, 011016 (2016).
  25. K. Pöyhönen, I. Sahlberg, A. Westström,  and T. Ojanen, “Amorphous topological superconductivity in a shiba glass”, Nat. Commun. 9, 2103 (2018).
  26. I. Fulga, D. Pikulin,  and T. Loring, “Aperiodic weak topological superconductors”, Phys. Rev. Lett. 116, 257002 (2016).
  27. S. Manna, S. K. Das,  and B. Roy, “Noncrystalline topological superconductors”, arXiv:2207.02203  (2022).
  28. S. Longhi, “Topological phase transition in non-hermitian quasicrystals”, Phys. Rev. Lett. 122, 237601 (2019).
  29. R. Chen, C.-Z. Chen, J.-H. Gao, B. Zhou,  and D.-H. Xu, “Higher-order topological insulators in quasicrystals”, Phys. Rev. Lett. 124, 036803 (2020).
  30. D. Varjas, A. Lau, K. Pöyhönen, A. R. Akhmerov, D. I. Pikulin,  and I. C. Fulga, “Topological phases without crystalline counterparts”, Phys. Rev. Lett. 123, 196401 (2019).
  31. C.-B. Hua, R. Chen, B. Zhou,  and D.-H. Xu, “Higher-order topological insulator in a dodecagonal quasicrystal”, Phys. Rev. B 102, 241102 (2020).
  32. S. Spurrier and N. R. Cooper, ‘‘Kane-mele with a twist: Quasicrystalline higher-order topological insulators with fractional mass kinks”, Phys. Rev. Res. 2, 033071 (2020b).
  33. H. Huang, J. Fan, D. Li,  and F. Liu, “Generic orbital design of higher-order topological quasicrystalline insulators with odd five-fold rotation symmetry”, Nano Lett. 21, 7056 (2021).
  34. A. Shi, J. Jiang, Y. Peng, P. Peng, J. Chen,  and J. Liu, “Multimer analysis method reveals higher-order topology in quasicrystals”, arXiv:2209.05751  (2022).
  35. L. Xiong, Y. Zhang, Y. Liu, Y. Zheng,  and X. Jiang, “Higher-order topological states in photonic thue-morse quasicrystals: quadrupole insulator and a new origin of corner states”, arXiv:2207.12286  (2022).
  36. R. Ghadimi, T. Sugimoto, K. Tanaka,  and T. Tohyama, “Topological superconductivity in quasicrystals”, Phys. Rev. B 104, 144511 (2021).
  37. B. Lv, R. Chen, R. Li, C. Guan, B. Zhou, G. Dong, et al., “Realization of quasicrystalline quadrupole topological insulators in electrical circuits”, Commun. Phys. 4, 108 (2021).
  38. R. Chen, D.-H. Xu,  and B. Zhou, “Topological Anderson insulator phase in a quasicrystal lattice”, Phys. Rev. B 100, 115311 (2019).
  39. C.-B. Hua, Z.-R. Liu, T. Peng, R. Chen, D.-H. Xu,  and B. Zhou, “Disorder-induced chiral and helical Majorana edge modes in a two-dimensional Ammann-Beenker quasicrystal”, Phys. Rev. B 104, 155304 (2021).
  40. T. Peng, C.-B. Hua, R. Chen, Z.-R. Liu, D.-H. Xu,  and B. Zhou, “Higher-order topological Anderson insulators in quasicrystals”, Phys. Rev. B 104, 245302 (2021b).
  41. M. Verbin, O. Zilberberg, Y. E. Kraus, Y. Lahini,  and Y. Silberberg, “Observation of topological phase transitions in photonic quasicrystals”, Phys. Rev. Lett. 110, 076403 (2013).
  42. D. J. Apigo, W. Cheng, K. F. Dobiszewski, E. Prodan,  and C. Prodan, “Observation of topological edge modes in a quasiperiodic acoustic waveguide”, Phys. Rev. Lett. 122, 095501 (2019).
  43. D. Shechtman, I. Blech, D. Gratias,  and J. W. Cahn, “Metallic phase with long-range orientational order and no translational symmetry”, Phys. Rev. Lett. 53, 1951 (1984).
  44. D. Levine and P. J. Steinhardt, “Quasicrystals: A new class of ordered structures”, Phys. Rev. Lett. 53, 2477 (1984).
  45. B. D. Biggs, S. J. Poon,  and N. R. Munirathnam, “Stable al-cu-ru icosahedral crystals: A new class of electronic alloys”, Phys. Rev. Lett. 65, 2700 (1990).
  46. F. S. Pierce, S. J. Poon,  and Q. Guo, “Electron localization in metallic quasicrystals”, Science 261, 737 (1993).
  47. D. N. Basov, F. S. Pierce, P. Volkov, S. J. Poon,  and T. Timusk, “Optical conductivity of insulating al-based alloys: Comparison of quasiperiodic and periodic systems”, Phys. Rev. Lett. 73, 1865 (1994).
  48. F. S. Pierce, Q. Guo,  and S. J. Poon, “Enhanced insulatorlike electron transport behavior of thermally tuned quasicrystalline states of al-pd-re alloys”, Phys. Rev. Lett. 73, 2220 (1994).
  49. J. D. Cain, A. Azizi, M. Conrad, S. M. Griffin,  and A. Zettl, “Layer-dependent topological phase in a two-dimensional quasicrystal and approximant”, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 117, 26135 (2020).
  50. A. G. e. Fonseca, T. Christensen, J. D. Joannopoulos,  and M. Soljačić, “Quasicrystalline Weyl points and dense Fermi-Bragg arcs”, arXiv:2211.14299  (2022).
  51. A. A. Burkov and L. Balents, ‘‘Weyl semimetal in a topological insulator multilayer”, Phys. Rev. Lett. 107, 127205 (2011).
  52. M. Mogi, M. Kawamura, R. Yoshimi, A. Tsukazaki, Y. Kozuka, N. Shirakawa, K. S. Takahashi, M. Kawasaki,  and Y. Tokura, “A magnetic heterostructure of topological insulators as a candidate for an axion insulator”, Nat. Mater. 16, 516 (2017a).
  53. M. Mogi, M. Kawamura, A. Tsukazaki, R. Yoshimi, K. S. Takahashi, M. Kawasaki,  and Y. Tokura, “Tailoring tricolor structure of magnetic topological insulator for robust axion insulator”, Sci. Adv. 3, eaao1669 (2017b).
  54. Y. Deng, Y. Yu, M. Z. Shi, Z. Guo, Z. Xu, J. Wang, X. H. Chen,  and Y. Zhang, “Quantum anomalous Hall effect in intrinsic magnetic topological insulator MnBi22{}_{2}start_FLOATSUBSCRIPT 2 end_FLOATSUBSCRIPTTe44{}_{4}start_FLOATSUBSCRIPT 4 end_FLOATSUBSCRIPT”, Science 367, 895 (2020).
  55. A. Gao, Y.-F. Liu, C. Hu, J.-X. Qiu, C. Tzschaschel, B. Ghosh, et al., “Layer Hall effect in a 2D topological axion antiferromagnet”, Nature 595, 521 (2021).
  56. R. Chen, S. Li, H.-P. Sun, Q. Liu, Y. Zhao, H.-Z. Lu,  and X. C. Xie, “Using nonlocal surface transport to identify the axion insulator”, Phys. Rev. B 103, L241409 (2021b).
  57. Y.-R. Ding, D.-H. Xu, C.-Z. Chen,  and X. C. Xie, “Hinged quantum spin Hall effect in antiferromagnetic topological insulators”, Phys. Rev. B 101, 041404(R) (2020).
  58. N. Shumiya, M. S. Hossain, J.-X. Yin, Z. Wang, M. Litskevich, C. Yoon, et al., “Evidence of a room-temperature quantum spin hall edge state in a higher-order topological insulator”, Nat. Mat. 21, 1111 (2022).
  59. Y.-F. Zhao, R. Zhang, R. Mei, L.-J. Zhou, H. Yi, Y.-Q. Zhang, et al., “Tuning the Chern number in quantum anomalous Hall insulators”, Nature 588, 419 (2020).
  60. A. Agarwala, V. Juričić,  and B. Roy, “Higher-order topological insulators in amorphous solids”, Phys. Rev. Res. 2, 012067 (2020).
  61. Y.-Q. Wang and J. E. Moore, “Boundary edge networks induced by bulk topology”, Phys. Rev. B 99, 155102 (2019).
  62. Y.-L. Tao and Y. Xu, “Higher-order topological hyperbolic lattices”, arXiv:2209.02262  (2022).
  63. B. Roy, “Antiunitary symmetry protected higher-order topological phases”, Phys. Rev. Res. 1, 032048 (2019).
  64. J. H. Pixley, D. A. Huse,  and S. Das Sarma, “Rare-region-induced avoided quantum criticality in disordered three-dimensional Dirac and Weyl semimetals”, Phys. Rev. X 6, 021042 (2016).
  65. B. Roy, R.-J. Slager,  and V. Juričić, “Global phase diagram of a dirty weyl liquid and emergent superuniversality”, Phys. Rev. X 8, 031076 (2018).
  66. G. van Miert and C. Ortix, “Dislocation charges reveal two-dimensional topological crystalline invariants”, Phys. Rev. B 97, 201111 (2018).
  67. M. Geier, I. C. Fulga,  and A. Lau, “Bulk-boundary-defect correspondence at disclinations in rotation-symmetric topological insulators and superconductors”, SciPost Phys. 10, 092 (2021).
  68. Y. Qi, H. He,  and M. Xiao, “Manipulation of acoustic vortex with topological dislocation states”, Appl. Phys. Lett. 120, 212202 (2022).
  69. C. W. Peterson, T. Li, W. Jiang, T. L. Hughes,  and G. Bahl, “Trapped fractional charges at bulk defects in topological insulators”, Nature 589, 376 (2021).
  70. L. Ye, C. Qiu, M. Xiao, T. Li, J. Du, M. Ke,  and Z. Liu, “Topological dislocation modes in three-dimensional acoustic topological insulators”, Nat. Commu. 13, 508 (2022).
  71. H. Xue, D. Jia, Y. Ge, Y.-j. Guan, Q. Wang, S.-q. Yuan, H.-x. Sun, Y. D. Chong,  and B. Zhang, “Observation of dislocation-induced topological modes in a three-dimensional acoustic topological insulator”, Phys. Rev. Lett. 127, 214301 (2021).
  72. Y. Deng, W. A. Benalcazar, Z.-G. Chen, M. Oudich, G. Ma,  and Y. Jing, “Observation of degenerate zero-energy topological states at disclinations in an acoustic lattice”, Phys. Rev. Lett. 128, 174301 (2022).
  73. B. Xia, Z. Jiang, L. Tong, S. Zheng,  and X. Man, “Topological bound states in elastic phononic plates induced by disclinations”, Acta Mech. Sin. 38, 521459 (2022).
  74. Q. Wang, Y. Ge, H. xiang Sun, H. Xue, D. Jia, Y. jun Guan, S. qi Yuan, B. Zhang,  and Y. D. Chong, “Vortex states in an acoustic weyl crystal with a topological lattice defect”, Nat. Commun. 12, 3654 (2021).
  75. M. Kleman and J. Friedel, “Disclinations, dislocations, and continuous defects: A reappraisal”, Rev. Mod. Phys. 80, 61 (2008).
Citations (8)
View on Semantic Scholar

Summary

We haven't generated a summary for this paper yet.

Ai Sparkles Streamline Icon: https://streamlinehq.com Summarize Now