Imaging Orbital Vortex Lines in Three-Dimensional Momentum Space

Abstract

We report the experimental discovery of orbital vortex lines in the three-dimensional (3D) band structure of a topological semimetal. Combining linear and circular dichroism in soft x-ray angle-resolved photoemission (SX-ARPES) with first-principles theory, we image the winding of atomic orbital angular momentum, thereby revealing—and determining the location of—lines of vorticity in full 3D momentum space. We determine the core of the orbital angular momentum vortex to host an almost movable, twofold, spin-degenerate Weyl nodal line, a topological feature predicted to occur in certain nonsymmorphic crystals. These results establish bimodal dichroism in SX-ARPES as a robust approach to trace 3D orbital textures. Our findings constitute the first imaging of nontrivial quantum-phase winding at line nodes and may pave the way to new orbitronic phenomena in quantum materials.

Uvádíme experimentální objev orbitálních vírových čar v trojrozměrné (3D) pásové struktuře topologického polokovu. Kombinací lineárního a kruhového dichroismu ve fotoemisi s rozlišením měkkého rentgenového záření (SX-ARPES) s teorií prvních principů zobrazujeme vinutí atomového orbitálního momentu hybnosti, čímž odhalujeme – a určujeme umístění – čar vířivosti v plném 3D prostoru hybnosti. Určili jsme jádro orbitálního víru momentu hybnosti, aby hostilo téměř pohyblivou, dvojitou spinově degenerovanou Weylovu uzlovou linii, což je topologická vlastnost, která se podle předpovědi vyskytuje v určitých nesymmorfických krystalech. Tyto výsledky zakládají bimodální dichroismus v SX-ARPES jako robustní přístup ke sledování 3D orbitálních textur. Naše zjištění představují první zobrazení netriviálního kvantového fázového vinutí v uzlech vedení a mohou připravit cestu k novým orbitronickým jevům v kvantových materiálech.