In 1929, H. Weyl proposed that the massless solution of Dirac equation represents a pair of new type particles, the so-called Weyl fermions [1]. However the existence of them in particle physics remains elusive for more than eight decades. Recently, significant advances in both topological insulators and topological semimetals have provided an alternative way to realize Weyl fermions in condensed matter as an emergent phenomenon: when two non-degenerate bands in the three-dimensional momentum space cross in the vicinity of Fermi energy (called as Weyl nodes), the low energy excitation behaves exactly the same as Weyl fermions. Here, by performing soft x-ray angle-resolved photoemission spectroscopy measurements which mainly probe bulk band structure, we directly observe the long-sought-after Weyl nodes for the first time in TaAs, whose projected locations on the (001) surface match well to the Fermi arcs, providing undisputable experimental evidence of existence of Weyl fermion quasiparticles in TaAs.

We report the discovery of Weyl semimetal NbAs featuring topological Fermi arc surface states.

Weyl semimetals are expected to open up new horizons in physics and materials science because they provide the first realization of Weyl fermions and exhibit protected Fermi arc surface states. However, they had been found to be extremely rare in nature. Recently, a family of compounds, consisting of tantalum arsenide, tantalum phosphide (TaP), niobium arsenide, and niobium phosphide, was predicted as a Weyl semimetal candidates. We experimentally realize a Weyl semimetal state in TaP. Using photoemission spectroscopy, we directly observe the Weyl fermion cones and nodes in the bulk, and the Fermi arcs on the surface. Moreover, we find that the surface states show an unexpectedly rich structure, including both topological Fermi arcs and several topologically trivial closed contours in the vicinity of the Weyl points, which provides a promising platform to study the interplay between topological and trivial surface states on a Weyl semimetal's surface. We directly demonstrate the bulk-boundary correspondence and establish the topologically nontrivial nature of the Weyl semimetal state in TaP, by resolving the net number of chiral edge modes on a closed path that encloses the Weyl node. This also provides, for the first time, an experimentally practical approach to demonstrating a bulk Weyl fermion from a surface state dispersion measured in photoemission.

The concepts and technical realisation of the high-resolution soft X-ray beamline ADRESS operating in the energy range from 300 to 1600 eV and intended for resonant inelastic X-ray scattering (RIXS) and angle-resolved photoelectron spectroscopy (ARPES) are described. The photon source is an undulator of novel fixed-gap design where longitudinal movement of permanent magnetic arrays controls not only the light polarization (including circular and 0–180° rotatable linear polarizations) but also the energy without changing the gap. The beamline optics is based on the well established scheme of plane-grating monochromator operating in collimated light. The ultimate resolving power E/ΔE is above 33000 at 1 keV photon energy. The choice of blazed versus lamellar gratings and optimization of their profile parameters is described. Owing to glancing angles on the mirrors as well as optimized groove densities and profiles of the gratings, the beamline is capable of delivering high photon flux up to 1 × 1013 photons s−1 (0.01% BW)−1 at 1 keV. Ellipsoidal refocusing optics used for the RIXS endstation demagnifies the vertical spot size down to 4 µm, which allows slitless operation and thus maximal transmission of the high-resolution RIXS spectrometer delivering E/ΔE > 11000 at 1 keV photon energy. Apart from the beamline optics, an overview of the control system is given, the diagnostics and software tools are described, and strategies used for the optical alignment are discussed. An introduction to the concepts and instrumental realisation of the ARPES and RIXS endstations is given.

Condensed matter systems can host quasiparticle excitations that are analogues to elementary particles such as Majorana, Weyl, and Dirac fermions. Recent advances in band theory have expanded the classification of fermions in crystals, and revealed crystal symmetry-protected electron excitations that have no high-energy counterparts. Here, using angle-resolved photoemission spectroscopy, we demonstrate the existence of a triply degenerate point in the electronic structure of MoP crystal, where the quasiparticle excitations are beyond the Majorana-Weyl-Dirac classification. Furthermore, we observe pairs of Weyl points in the bulk electronic structure coexisting with the 'new fermions', thus introducing a platform for studying the interplay between different types of fermions.

Abstract A Weyl semimetal possesses spin-polarized band-crossings, called Weyl nodes, connected by topological surface arcs. The low-energy excitations near the crossing points behave the same as massless Weyl fermions, leading to exotic properties like chiral anomaly. To have the transport properties dominated by Weyl fermions, Weyl nodes need to locate nearly at the chemical potential and enclosed by pairs of individual Fermi surfaces with non-zero Fermi Chern numbers. Combining angle-resolved photoemission spectroscopy and first-principles calculation, here we show that TaP is a Weyl semimetal with only a single type of Weyl fermions, topologically distinguished from TaAs where two types of Weyl fermions contribute to the low-energy physical properties. The simple Weyl fermions in TaP are not only of fundamental interests but also of great potential for future applications. Fermi arcs on the Ta-terminated surface are observed, which appear in a different pattern from that on the As-termination in TaAs and NbAs.

Abstract The metal–insulator transition and the intriguing physical properties of rare-earth perovskite nickelates have attracted considerable attention in recent years. Nonetheless, a complete understanding of these materials remains elusive. Here we combine X-ray absorption and resonant inelastic X-ray scattering (RIXS) spectroscopies to resolve important aspects of the complex electronic structure of rare-earth nickelates, taking NdNiO 3 thin film as representative example. The unusual coexistence of bound and continuum excitations observed in the RIXS spectra provides strong evidence for abundant oxygen holes in the ground state of these materials. Using cluster calculations and Anderson impurity model interpretation, we show that distinct spectral signatures arise from a Ni 3 d 8 configuration along with holes in the oxygen 2 p valence band, confirming suggestions that these materials do not obey a conventional positive charge-transfer picture, but instead exhibit a negative charge-transfer energy in line with recent models interpreting the metal–insulator transition in terms of bond disproportionation.

We probe the collective magnetic modes of La2CuO4 and underdoped La2-xSrxCuO4 (LSCO) by momentum resolved resonant inelastic x-ray scattering (RIXS) at the Cu L3 edge. For the undoped antiferromagnetic sample, we show that the single magnon dispersion measured with RIXS coincides with the one determined by inelastic neutron scattering, thus demonstrating that x rays are an alternative to neutrons in this field. In the spin dynamics of LSCO, we find a branch dispersing up to approximately 400 meV coexisting with one at lower energy. The high-energy branch has never been seen before. It indicates that underdoped LSCO is in a dynamic inhomogeneous spin state.