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.

We introduce an implementation of a Laplace differentiator based on a photonic crystal slab that operates at transmission mode. We show that the Laplace differentiator can be implemented provided that the guided resonances near the $\Gamma$ point exhibit an isotropic band structure. Such a device may facilitate nanophotonics-based optical analog computing for image processing.

Objects around us constantly emit and absorb thermal radiation. The emission and absorption processes are governed by two fundamental radiative properties: emissivity and absorptivity. For reciprocal systems, the emissivity and absorptivity are restricted to be equal by Kirchhoff's law of thermal radiation. This restriction limits the degree of freedom to control thermal radiation and contributes to an intrinsic loss mechanism in photonic energy harvesting systems. Existing approaches to violate Kirchhoff's law typically utilize magneto-optical effects with an external magnetic field. However, these approaches require either a strong magnetic field (∼3T) or narrow-band resonances under a moderate magnetic field (∼0.3T), because the nonreciprocity in conventional magneto-optical effects is weak in the thermal wavelength range. Here, we show that the axion electrodynamics in magnetic Weyl semimetals can be used to construct strongly nonreciprocal thermal emitters that nearly completely violate Kirchhoff's law over broad angular and frequency ranges without requiring any external magnetic field.

The scattering matrix is a crucial characterization of a physical system. The authors present here a systematic topological theory of scattering matrices, focusing on their singular values and vectors. They identify topological characteristics such as winding number, Berry phase, and skew polarization. The theory uncovers the topological nature of coherent perfect absorption and introduces coherent perfect extinction, where a coherent wave is completely extinguished through interference. These findings advance the understanding of scattering and have implications for novel wave devices.

Degeneracy points in non-Hermitian systems are of great interest. While a homotopic framework exists for understanding their behavior in the absence of symmetry, it does not apply to symmetry-protected degeneracy points with reduced codimension. In this work, utilizing algebraic topology, we provide a systematic classification of these symmetry-protected degenerate points and investigate the braid conservation rule followed by them. Using a model Hamiltonian and circuit simulation, we discover that, contrary to simple annihilation, pairwise-created symmetry-protected degeneracy points merge into a higher-order degeneracy point, which goes beyond the abelian picture. Our findings empower researchers across diverse fields to uncover new phenomena and applications harnessing symmetry-protected non-Hermitian degeneracy points.

Coherent control of wave transmission and reflection is crucial for applications in communication, imaging, and sensing. However, many practical scenarios involve partially coherent waves rather than fully coherent ones. We present a systematic theory for the unitary control of partially coherent wave transmission and reflection. For a linear time-invariant system with an incident partially coherent wave, we derive analytical expressions for the range of attainable total transmittance and reflectance under arbitrary unitary transformations. We also introduce an explicit algorithm to construct a unitary control scheme that achieves any desired transmission or reflection within the attainable range. As applications of our theory, we establish conditions for four phenomena: partially coherent perfect transmission, partially coherent perfect reflection, partially coherent zero transmission, and partially coherent zero reflection. We also prove a theorem that relates the degree of coherence of the incident field, quantified by the majorization order, to the resulting transmission and reflection intervals. Furthermore, we demonstrate that reciprocity (or energy conservation) imposes direct symmetry constraints on bilateral transmission (or transmission and reflection) of partially coherent waves under unitary control. Our results provide fundamental insights and practical guidelines for using unitary control to manipulate the transmission and reflection of partially coherent waves. This theory applies to various wave systems, including electromagnetic and acoustic waves.

The coherent control of wave absorption has important applications in areas such as energy harvesting, imaging, and sensing. However, most practical scenarios involve the absorption of partially coherent rather than fully coherent waves. Here we present a systematic theory of unitary control over the absorption of partially coherent waves by linear systems. Given an absorbing system and incident partially coherent wave, we provide analytical expressions for the range of attainable absorptivity under arbitrary unitary transformations of the incident field. We also present an explicit algorithm to construct the unitary control scheme that achieves any desired absorptivity within that attainable range. As applications of our theory, we derive the conditions required for achieving two phenomena---partially coherent perfect absorption and partially coherent zero absorption. Furthermore, we prove a theorem relating the coherence properties of the incident field, as quantified by majorization, to the resulting absorption intervals. Our results provide both fundamental insights and practical prescriptions for exploiting unitary control to shape the absorption of partially coherent waves. The theory applies across the electromagnetic spectrum as well as to other classical wave systems such as acoustic waves.

Degeneracy points in non-Hermitian systems are of great interest. While a homotopic framework exists for understanding their behavior in the absence of symmetry, it does not apply to symmetry-protected degeneracy points with reduced codimension. In this work, utilizing algebraic topology, we provide a systematic classification of these symmetry-protected degenerate points and investigate the braid conservation rule followed by them. Using a model Hamiltonian and circuit simulation, we discover that, contrary to simple annihilation, pairwise-created symmetry-protected degeneracy points merge into a higher-order degeneracy point, which goes beyond the abelian picture. Our findings empower researchers across diverse fields to uncover new phenomena and applications harnessing symmetry-protected non-Hermitian degeneracy points.

We propose an all-optical approach to generating space–time wave packets in a multimode slab waveguide via the multilevel interband stimulated Brillouin scattering process. Two pump sources and a single-mode signal are fed into the waveguide. The pumps generate a single-mode acoustic wave through the electrostrictive process. The acoustic wave then induces an indirect interband photonic transition from the signal wave, resulting in a light bullet, that is, a space–time wave packet that does not change its spatial and temporal shape as it propagates through the waveguide.