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.

1.
N. P.
Armitage
,
E. J.
Mele
, and
A.
Vishwanath
,
Rev. Mod. Phys.
90
,
015001
(
2018
), and references therein.
2.
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
).
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.
J. C.
Slater
,
J. Chem. Phys.
41
,
3199
(
1964
).
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
).
You do not currently have access to this content.