Topological semimetals host interesting new types of low-energy quasiparticles such as type-I and type-II Dirac and Weyl fermions. Type-III topological semimetals can emerge exactly at the border between type-I and II, characterized by a line-like Fermi surface and a flat energy dispersion near the topological band crossing. Here, we theoretically predict that 1T-HfTe2 and 1T-ZrTe2 transition metal dichalcogenides are type-I and type-II DSMs, respectively. By alloying the two materials, a new HfxZr1−xTe2 alloy with type-III Dirac cone emerges at x = 0.2, in combination with 1% in-plane compressive strain. By imaging the electronic energy bands with in situ angle-resolved photoemission spectroscopy of this random alloy with the desired composition, grown by molecular beam epitaxy on InAs(111) substrates, we provide experimental evidence that the tοp of type-III Dirac cone lies at—or very close to—the Fermi level.
REFERENCES
1.
N. P.
Armitage
, E. J.
Mele
, and A.
Vishwanath
, Rev. Mod. Phys.
90
, 015001
(2018
), and references therein. 2.
G. E.
Volovik
, JETP Lett.
104
, 645
(2016
). 3.
G. E.
Volovik
and K.
Zhang
, J. Low Temp. Phys.
189
, 276
(2017
). 4.
T.
Mizoguchi
and Y.
Hatsugai
, J. Phys. Soc. Jpn.
89
, 103704
(2020
). 5.
I. M.
Lifshitz
, Sov. Phys. JETP
11
, 1130
(1960
).6.
G. E.
Volovik
, Phys. Usp.
61
, 89
(2018
). 7.
Y.
Zhang
, C.
Wang
, L.
Yu
, G.
Liu
, A.
Liang
, J.
Huang
, S.
Nie
, X.
Sun
, Y.
Zhang
, B.
Shen
, J.
Liu
, H.
Weng
, L.
Zhao
, G.
Chen
, X.
Jia
, C.
Hu
, Y.
Ding
, W.
Zhao
, Q.
Gao
, C.
Li
, S.
He
, L.
Zhao
, F.
Zhang
, S.
Zhang
, F.
Yang
, Z.
Wang
, Q.
Peng
, X.
Dai
, Z.
Fang
, Z.
Xu
, C.
Chen
, and X. J.
Zhou
, Nat. Commun.
8
, 15512
(2017
). 8.
H.
Chi
, C.
Zhang
, G.
Gu
, D. E.
Kharzeev
, X.
Dai
, and Q.
Li
, New J. Phys.
9
, 015005
(2017
). 9.
Y.
Zhang
, C.
Wang
, G.
Liu
, A.
Liang
, L.
Zhao
, J.
Huang
, Q.
Gao
, B.
Shen
, J.
Liu
, C.
Hu
, W.
Zhao
, G.
Chen
, X.
Jia
, L.
Yu
, L.
Zhao
, S.
He
, F.
Zhang
, S.
Zhang
, F.
Yang
, Z.
Wang
, Q.
Peng
, Z.
Xu
, C.
Chen
, and X.
Zhou
, Sci. Bull.
62
, 950
(2017
). 10.
F.
Caglieris
, C.
Wuttke
, S.
Sykora
, V.
Süss
, C.
Shekhar
, C.
Felser
, B.
Büchner
, and C.
Hess
, Phys. Rev. B
98
, 201107(R)
(2018
). 11.
H.
Liu
, J.-T.
Sun
, C.
Song
, H.
Huang
, F.
Liu
, and S.
Meng
, Chin. Phys. Lett.
27
, 067101
(2020
). 12.
H.
Huang
, K.-H.
Jin
, and F.
Liu
, Phys. Rev B
98
, 121110
(2018
). 13.
S.
Fragkos
, R.
Sant
, C.
Alvarez
, E.
Golias
, J.
Marquez-Velasco
, P.
Tsipas
, D.
Tsoutsou
, S.
Aminalragia-Giamini
, E.
Xenogiannopoulou
, H.
Okuno
, G.
Renaud
, O.
Rader
, and A.
Dimoulas
, Phys. Rev. Mater.
3
, 104201
(2019
). 14.
M.
Milićević
, G.
Montambaux
, T.
Ozawa
, O.
Jamadi
, B.
Real
, I.
Sagnes
, A.
Lemaître
, L.
Le Gratiet
, A.
Harouri
, J.
Bloch
, and A.
Amo
, Phys. Rev. X
9
, 031010
(2019
).15.
Z. K.
Liu
, B.
Zhou
, Y.
Zhang
, Z. J.
Wang
, H. M.
Weng
, D.
Prabhakaran
, S.-K.
Mo
, Z. X.
Shen
, Z.
Fang
, X.
Dai
, Z.
Hussain
, and Y. L.
Chen
, Science
343
, 864
(2014
). 16.
Z. K.
Liu
, J.
Jiang
, B.
Zhou
, Z. J.
Wang
, Y.
Zhang
, H. M.
Weng
, D.
Prabhakaran
, S.-K.
Mo
, H.
Peng
, P.
Dudin
, T.
Kim
, M.
Hoesch
, Z.
Fang
, X.
Dai
, Z. X.
Shen
, D. L.
Feng
, Z.
Hussain
, and Y. L.
Chen
, Nat. Mater.
13
, 677
(2014
). 17.
S.
Aminalragia-Giamini
, J.
Marquez-Velasco
, P.
Tsipas
, D.
Tsoutsou
, G.
Renaud
, and A.
Dimoulas
, 2D Mater.
4
, 015001
(2017
). 18.
P.
Tsipas
, D.
Tsoutsou
, S.
Fragkos
, R.
Sant
, C.
Alvarez
, H.
Okuno
, G.
Renaud
, R.
Alcotte
, T.
Baron
, and A.
Dimoulas
, ACS Nano
12
, 1696
(2018
). 19.
Y.
Nakata
, K.
Sugawara
, A.
Chainani
, K.
Yamauchi
, K.
Nakayama
, S.
Souma
, P.-Y.
Chuang
, C.-M.
Cheng
, T.
Oguchi
, K.
Ueno
, T.
Takahashi
, and T.
Sato
, Phys. Rev. Mater.
3
, 071001
(2019
). 20.
Z. E.
El Youbi
, S. W.
Jung
, S.
Mukherjee
, M.
Fanciulli
, J.
Schusser
, O.
Heckmann
, C.
Richter
, J.
Minár
, K.
Hricovini
, M. D.
Watson
, and C.
Cacho
, Phys. Rev. B
101
, 235431
(2020
). 21.
B.
Zhang
, Z.
Muhammad
, P.
Wang
, S.
Cui
, Y.
Li
, S.
Wang
, Y.
Wu
, Z.
Liu
, H.
Zhu
, Y.
Liu
, G.
Zhang
, D.
Liu
, L.
Song
, and Z.
Sun
, J. Phys. Chem. C
124
, 16561
(2020
). 22.
I.
Kar
, J.
Chatterjee
, L.
Harnagea
, Y.
Kushnirenko
, A. V.
Fedorov
, D.
Shrivastava
, B.
Büchner
, P.
Mahadevan
, and S.
Thirupathaiah
, Phys. Rev. B
101
, 165122
(2020
). 23.
S.
Mangelsen
, P. G.
Naumov
, O. I.
Barkalov
, S. A.
Medvedev
, W.
Schnelle
, M.
Bobnar
, S.
Mankovsky
, S.
Polesya
, C.
Näther
, H.
Ebert
, and W.
Bensch
, Phys. Rev. B
96
, 205148
(2017
). 24.
S. M.
Ng
, H.
Wang
, Y.
Liu
, H. F.
Wong
, H. M.
Yau
, C. H.
Suen
, Z. H.
Wu
, C. W.
Leung
, and J.-Y.
Dai
, ACS Nano
14
, 7077
(2020
). 25.
H.
Wang
, C. H.
Chan
, C. H.
Suen
, S. P.
Lau
, and J.-Y.
Dai
, ACS Nano
13
, 6008
(2019
). 26.
M. G.
Vergniory
, L.
Elcoro
, C.
Felser
, N.
Regnault
, B. A.
Bernevig
, and Z.
Wang
, Nature
566
, 480
(2019
). 27.
B.
Bradlyn
, L.
Elcoro
, J.
Cano
, M. G.
Vergniory
, Z.
Wang
, C.
Felser
, M. I.
Aroyo
, and B. A.
Bernevig
, Nature
547
, 298
(2017
). 28.
T.
Zhang
, Y.
Jiang
, Z.
Song
, H.
Huang
, Y.
He
, Z.
Fang
, H.
Weng
, and C.
Fang
, Nature
566
, 475
(2019
). 29.
F.
Tang
, H. C.
Po
, A.
Vishwanath
, and X.
Wan
, Nature
566
, 486
(2019
). 30.
N. H. D.
Khang
, Y.
Ueda
, and P. N.
Hai
, Nat. Mater.
17
, 808
(2018
). 31.
Y.
Wang
, R.
Ramaswamy
, and H.
Yang
, J. Phys. D: Appl. Phys.
51
, 273002
(2018
). 32.
S.
Shi
, S.
Liang
, Z.
Zhu
, K.
Cai
, S. D.
Pollard
, Y.
Wang
, J.
Wang
, Q.
Wang
, P.
He
, J.
Yu
, G.
Eda
, G.
Liang
, and H.
Yang
, Nat. Nanotechnol.
14
, 945
(2019
). 33.
D.
Chakraborty
and P.
Johari
, ACS Appl. Nano Mater
3
, 5160
(2020
). 34.
G.
Kresse
and J.
Furthmüller
, Comput. Mater. Sci.
6
, 15
(1996
). 35.
G.
Kresse
and J.
Furthmüller
, Phys. Rev. B
54
, 11169
(1996
). 36.
J. P.
Perdew
, K.
Burke
, and M.
Ernzerhof
, Phys. Rev. Lett.
77
, 3865
(1996
). 37.
H. J.
Monkhorst
and J. D.
Pack
, Phys. Rev. B
13
, 5188
(1976
). 38.
A. A.
Mostofi
, J. R.
Yates
, G.
Pizzi
, Y.-S.
Lee
, I.
Souza
, D.
Vanderbilt
, and N.
Marzari
, Comput. Phys. Commun.
185
, 2309
(2014
).39.
G.
Pizzi
, V.
Vitale
, R.
Arita
, S.
Blügel
, F.
Freimuth
, G.
Géranton
, M.
Gibertini
, D.
Gresch
, C.
Johnson
, T.
Koretsune
, J.
Ibañez-Azpiroz
, H.
Lee
, J.-M.
Lihm
, D.
Marchand
, A.
Marrazzo
, Y.
Mokrousov
, J. I.
Mustafa
, Y.
Nohara
, Y.
Nomura
, L.
Paulatto
, S.
Poncé
, T.
Ponweiser
, J.
Qiao
, F.
Thöle
, S. S.
Tsirkin
, M.
Wierzbowska
, N.
Marzari
, D.
Vanderbilt
, I.
Souza
, A. A.
Mostofi
, and J. R.
Yate
, J. Phys. Condens. Matter
32
, 165902
(2020
).40.
Q. S.
Wu
, S. N.
Zhang
, H.-F.
Song
, M.
Troyer
, and A. A.
Soluyanov
, Comput. Phys. Commun.
224
, 405
(2018
). 41.
M. G.
Vergniory
, L.
Elcoro
, Z.
Wang
, J.
Cano
, C.
Felser
, M. I.
Aroyo
, B. A.
Bernevig
, and B.
Bradlyn
, Phys. Rev. E
96
, 023310
(2017
). 42.
L.
Elcoro
, B.
Bradlyn
, Z.
Wang
, M. G.
Vergniory
, J.
Cano
, C.
Felser
, B. A.
Bernevig
, D.
Orobengoa
, G.
de la Flor
, and M. I.
Aroyo
, J. Appl. Crystallogr.
50
, 1457
(2017
). 43.
B.-J.
Yang
and N.
Nagaosa
, Nat. Commun.
5
, 4898
(2014
). 44.
S.-Y.
Xu
, Y.
Xia
, L. A.
Wray
, S.
Jia
, F.
Meier
, J. H.
Dil
, J.
Osterwalder
, B.
Slomski
, A.
Bansil
, H.
Lin
, R. J.
Cava
, and M. Z.
Hasan
, Science
332
, 560
(2011
). 45.
T.-R.
Chang
, S.-Y.
Xu
, G.
Chang
, C.-C.
Lee
, S.-M.
Huang
, B.-K.
Wang
, G.
Bian
, H.
Zheng
, D. S.
Sanchez
, I.
Belopolski
, N.
Alidoust
, M.
Neupane
, A.
Bansil
, H.-T.
Jeng
, H.
Lin
, and M. Z.
Hasan
, Nat. Commun.
7
, 10639
(2016
).46.
I.
Belopolski
, D. S.
Sanchez
, Y.
Ishida
, X.
Pan
, P.
Yu
, S.-Y.
Xu
, G.
Chang
, T.-R.
Chang
, H.
Zheng
, N.
Alidoust
, G.
Bian
, M.
Neupane
, S.-M.
Huang
, C.-C.
Lee
, Y.
Song
, H.
Bu
, G.
Wang
, S.
Li
, G.
Eda
, H.-T.
Jeng
, T.
Kondo
, H.
Lin
, Z.
Liu
, F.
Song
, S.
Shin
, and M. Z.
Hasan
, Nat. Commun.
7
, 13643
(2016
). 47.
S.
Alvarez
, Dalton Trans.
42
, 8617
(2013
).48.
49.
N.
Marzari
, A. A.
Mostofi
, J. R.
Yates
, I.
Souza
, and D.
Vanderbilt
, Rev. Mod. Phys.
84
, 1419
(2012
). 50.
G. W.
Winkler
, A. A.
Soluyanov
, and M.
Troyer
, Phys. Rev. B
93
, 035453
(2016
). 51.
M.
Nakagawa
, R.-J.
Slager
, S.
Higashikawa
, and T.
Oka
, Phys. Rev. B
101
, 075108
(2020
). 52.
A. A.
Soluyanov
and D.
Vanderbilt
, Phys. Rev. B
83
, 035108
(2011
). 53.
A.
Taguchi
and K.
Kanisawa
, Appl. Surf. Sci.
252
, 5263
(2006
). 54.
P.
Tsipas
, S.
Fragkos
, D.
Tsoutsou
, C.
Alvarez
, R.
Sant
, G.
Renaud
, H.
Okuno
, and A.
Dimoulas
, Adv. Funct. Mater.
28
, 1802084
(2019
). 55.
S.
Fragkos
, R.
Sant
, C.
Alvarez
, A.
Bosak
, P.
Tsipas
, D.
Tsoutsou
, H.
Okuno
, G.
Renaud
, and A.
Dimoulas
, Adv. Mater. Interfaces
6
, 1801850
(2019
). © 2021 Author(s).
2021
Author(s)
You do not currently have access to this content.