A topological insulator has surface metallic states that are topologically protected by time-reversal symmetry. Tin telluride is now shown to be a ‘topological crystalline insulator’, in which the surface metallic state is instead protected by the mirror symmetry of the crystal. A topological insulator is an unusual quantum state of matter, characterized by the appearance, at its edges or on its surface, of a gapless metallic state that is protected by time-reversal symmetry1,2. The discovery of topological insulators has stimulated the search for other topological states protected by other symmetries3,4,5,6,7, such as the recently predicted8 topological crystalline insulator (TCI) in which the metallic surface states are protected by the mirror symmetry of the crystal. Here we present experimental evidence for the TCI phase in tin telluride (SnTe), which has been predicted to be a TCI (ref. 9). Our angle-resolved photoemission spectra show the signature of a metallic Dirac-cone surface band, with its Dirac point slightly away from the edge of the surface Brillouin zone in SnTe. Such a gapless surface state is absent in a cousin material, lead telluride, in line with the theoretical prediction.

The discovery of high-temperature superconductivity in iron pnictides raised the possibility of an unconventional superconducting mechanism in multiband materials. The observation of Fermi-surface(FS)-dependent nodeless superconducting gaps suggested that inter-FS interactions may play a crucial role in superconducting pairing. In the optimally hole-doped Ba$_{0.6}$K$_{0.4}$Fe$_2$As$_2$, the pairing strength is enhanced simultaneously (2$\Delta$/Tc$\sim$7) on the nearly nested FS pockets, i.e. the inner holelike ($\alpha$) FS and the two hybridized electronlike FSs, while the pairing remains weak (2$\Delta$/Tc$\sim$3.6) in the poorly-nested outer hole-like ($\beta$) FS. Here we report that in the electron-doped BaFe$_{1.85}$Co$_{0.15}$As$_2$ the FS nesting condition switches from the $\alpha$ to the $\beta$ FS due to the opposite size changes for hole- and electron-like FSs upon electron doping. The strong pairing strength (2$\Delta$/Tc$\sim$6) is also found to switch to the nested $\beta$ FS, indicating an intimate connection between FS nesting and superconducting pairing, and strongly supporting the inter-FS pairing mechanism in the iron-based superconductors.

The three-dimensional topological insulator is a quantum state of matter characterized by an insulating bulk state and gapless Dirac cone surface states. Device applications of topological insulators require a highly insulating bulk and tunable Dirac carriers, which has so far been difficult to achieve. Here we demonstrate that Bi2-xSbxTe3-ySey is a system that simultaneously satisfies both of these requirements. For a series of compositions presenting bulk-insulating transport behaviour, angle-resolved photoemission spectroscopy reveals that the chemical potential is always located in the bulk band gap, whereas the Dirac cone dispersion changes systematically so that the Dirac point moves up in energy with increasing x, leading to a sign change of the Dirac carriers at x~0.9. Such a tunable Dirac cone opens a promising pathway to the development of novel devices based on topological insulators. The surface electronic structure of topological insulators is characterized by a so-called Dirac cone energy dispersion. This study shows that by tuning the compositions in the compound Bi2−xSbxTe3−ySeyone can control the precise features of its Dirac cone structure while keeping it a bulk insulator.

Topological semimetals materialize a new state of quantum matter where massless fermions protected by a specific crystal symmetry host exotic quantum phenomena. Distinct from well-known Dirac and Weyl fermions, structurally-chiral topological semimetals are predicted to host new types of massless fermions characterized by a large topological charge, whereas such exotic fermions are yet to be experimentally established. Here, by using angle-resolved photoemission spectroscopy, we experimentally demonstrate that a transition-metal silicide CoSi hosts two types of chiral topological fermions, spin-1 chiral fermion and double Weyl fermion, in the center and corner of the bulk Brillouin zone, respectively. Intriguingly, we found that the bulk Fermi surfaces are purely composed of the energy bands related to these fermions. We also find the surface states connecting the Fermi surfaces associated with these fermions, suggesting the existence of the predicted Fermi-arc surface states. Our result provides the first experimental evidence for the chiral topological fermions beyond Dirac and Weyl fermions in condensed-matter systems, and paves the pathway toward realizing exotic electronic properties associated with unconventional chiral fermions.

We have performed high-resolution angle-resolved photoemission spectroscopy on FeSe superconductor (Tc ~ 8 K), which exhibits a tetragonal-to-orthorhombic structural transition at Ts ~ 90 K. At low temperature we found splitting of the energy bands as large as 50 meV at the M point in the Brillouin zone, likely caused by the formation of electronically driven nematic states. This band splitting persists up to T ~ 110 K, slightly above Ts, suggesting that the structural transition is triggered by the electronic nematicity. We have also revealed that at low temperature the band splitting gives rise to a van Hove singularity within 5 meV of the Fermi energy. The present result strongly suggests that this unusual electronic state is responsible for the unconventional superconductivity in FeSe.

Abstract Applying lattice strain to thin films, a critical factor to tailor their properties such as stabilizing a structural phase unstable at ambient pressure, generally necessitates heteroepitaxial growth to control the lattice mismatch with substrate. Therefore, while homoepitaxy, the growth of thin film on a substrate made of the same material, is a useful method to fabricate high‐quality thin films, its application to studying strain‐induced structural phases is limited. Contrary to this general belief, here the quasi‐homoepitaxial growth of Cs and Rb thin films is reported with substantial in‐plane compressive strain. This is achieved by utilizing the alkali‐metal layer existing in bulk crystal of kagome metals A V 3 Sb 5 ( A = Cs and Rb) as a structural template. The angle‐resolved photoemission spectroscopy measurements reveal the formation of metallic quantum well states and notable thickness‐dependent quasiparticle lifetime. Comparison with density functional theory calculations suggests that the obtained thin films crystalize in the face‐centered cubic structure, which is typically stable only under high pressure in bulk crystals. These findings provide a useful approach for synthesizing highly strained thin films by quasi‐homoepitaxy, and pave the way for investigating many‐body interactions in Fermi liquids with tunable dimensionality.

Abstract Topotactic chemical reaction (TCR) is a chemical process that transforms one crystalline phase to another while maintaining one or more of the original structural frameworks, typically induced by the local insertion, removal, or replacement of atoms in a crystal. The utilization of TCR in atomic-layer materials and surfaces of bulk crystals leads to exotic quantum phases, as highlighted by the control of topological phases, the emergence of two-dimensional (2D) superconductivity, and the realization of 2D ferromagnetism. Advanced surface-sensitive spectroscopies such as angle-resolved photoemission spectroscopy and scanning tunneling microscopy are leading techniques to visualize the electronic structure of such exotic states and provide us a guide to further functionalize material properties. In this review article, we summarize the recent progress in this field, with particular emphasis on intriguing results obtained by combining spectroscopies and TCR in thin films.