Semimetales de Dirac topológicos fuertes y frágiles con arcos de Fermi de orden superior

Los semimetales de Dirac y Weyl exhiben estados de superficie en forma de arco. Sin embargo, mientras que los arcos de Fermi de superficie en semimetales de Weyl son consecuencias topológicas de los puntos de Weyl, los arcos de Fermi de superficie en semimetales de Dirac no están directamente relacionados con los puntos de Dirac en el volumen, lo que plantea la pregunta de si existe una correspondencia topológica de volumen-frontera para los semimetales de Dirac. En este trabajo, descubrimos que los semimetales de Dirac topológicos fuertes y frágiles exhiben arcos de Fermi de bisagra de orden superior unidimensionales (HOFAs) como consecuencias universales y directas de sus puntos de Dirac en 3D en el volumen. Para predecir los HOFAs coexistiendo con estados de superficie topológicos en semimetales de Dirac de estado sólido, introducimos y estratificamos un modelo con espín de un aislante cuadrupolar hibridado s–d (QI). Desarrollamos una formulación rigurosa anidada de Jackiw-Rebbi de los QIs y los estados de HOFA. Empleando cálculos de primeros principios, demostramos HOFAs en las fases de temperatura ambiente (α) y temperatura intermedia (α″) de Cd3As2, KMgBi y PtO2 en estructura rutilo (β′-).