SrAs₃는 브릴루앙 영역에 단 하나의 링 형태 선마디(nodal ring)를 가지며, 페르미 준위 근처에 간섭 밴드가 거의 없는 대표적인 선마디 준금속(semimetal)이다. 본 연구에서는 SrAs₃의 자기 반사율(magneto-reflectivity)을 정밀 측정하고, 이에 대한 이론 분석을 통해 링 선마디에서 세 가지 유형의 페르미온이 동시에 나타남을 규명하였다. 자기 반사율에서 나타나는 자기장 세기와 란다우 준위(Landau level) 사이의 지수 관계를 분석함으로써, 고전적 페르미온, 디락(Dirac) 페르미온, 그리고 준디락(semi-Dirac) 페르미온이 공존함을 확인하였다. 특히, 준디락 페르미온은 굽은 선마디가 특정 운동량 평면과 접하는 기하학적 조건에서 나타나는 특이한 분산으로, 일반적인 선마디 준금속을 연구한 기존 연구와는 달리 링 형태의 선마디 준금속에서만 나타난다. SrAs₃에서의 란다우 준위의 자기장 의존성은 이상적인 마디선 준금속과 다르게 틸트(tilt)와 스핀-궤도 결합(spin-orbit coupling)으로 인해 간단한 지수관계를 따르지 않기 때문에, 이론적인 모델을 바탕으로 페르미온의 지수관계를 계산하였다.

본 연구는 서울시립대 전지원 학생, 최은집 교수 실험 그룹 등과 공동 연구로 진행되었다.

 

SrAs₃ hosts a single nodal ring in the Brillouin zone without interference from trivial bands around the Fermi level. Using high-field magneto-reflectivity, we tracked Landau-level transitions and revealed three types of low-energy quasiparticles in the single nodal ring. Based on the model calculations, we analyzed the scaling behavior of the Landau levels for the magnetic field to identify Dirac, semi-Dirac, and classical fermions coexisting in a single material. Semi-Dirac fermions—rarely accessible in ordinary nodal-line systems—emerge here when the curved nodal ring tangentially contacts a momentum plane, producing linear–quadratic dispersion. Because band tilt and spin–orbit coupling in SrAs₃ distort the ideal scaling behavior, our model calculations were essential to match each spectral peak to its fermionic origin.

 

Authors: Jiwon Jeon* (제1저자, 서울시립대), Taehyeok Kim* (제1저자, 서울대), Jiho Jang (서울대), Hoil Kim (POSTECH), Mykhaylo Ozerov (NHMFL), Jun Sung Kim (POSTECH), Hongki Min** (교신, 서울대), and Eunjip Choi** (교신, 서울시립대)
(*co-first authors, **co-corresponding authors)

Title: Unveiling three types of fermions in a nodal ring topological semimetal through magneto-optical transitions
Journal: Phys. Rev. Lett. 135, 086901 (2025)
Publication date: 19 August 2025
Link: https://doi.org/10.1103/wfzd-7r9n