[論文レビュー] Correlated order at the tipping point in the kagome metal CsV$_3$Sb$_5$

Chunyu Guo, Glenn Wagner+11 more|arXiv (Cornell University)|Apr 3, 2023

Topological Materials and Phenomena参考文献 5被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、純粋なCsV₃Sb₅は内部的な面内輸送異方性を示さないが、弱い磁場または歪みが加わることで、結合秩序と共存するフラックス秩序の出現により強い面内異方性を示すことを示している。主な発見は、材料が時間反転対称性破れのループ電流相に近接した臨界点に位置しており、実験的報告の矛盾を解消している。これは、顕在的な対称性破れが内在的な秩序ではなく、摂動によるものであることを示している。

ABSTRACT

Spontaneously broken symmetries are at the heart of many phenomena of quantum matter and physics more generally. However, determining the exact symmetries broken can be challenging due to imperfections such as strain, in particular when multiple electronic orders form complex interactions. This is exemplified by charge order in some kagome systems, which are speculated to show nematicity and flux order from orbital currents. We fabricated highly symmetric samples of a member of this family, CsV$_3$Sb$_5$, and measured their transport properties. We find the absence of measurable anisotropy at any temperature in the unperturbed material, however, a striking in-plane transport anisotropy appears when either weak magnetic fields or strains are present. A symmetry analysis indicates that a perpendicular magnetic field can indeed lead to in-plane anisotropy by inducing a flux order coexisting with more conventional bond order. Our results provide a unifying picture for the controversial charge order in kagome metals and highlight the need for microscopic materials control in the identification of broken symmetries.

研究の動機と目的

• kagome金属CsV₃Sb₅における時間反転対称性破れとネマチック秩序に関する長年の論争を解決すること。
• 時間反転対称性破れの相に近接した状態にある高次元的に degenerate で相関の強い電子状態において、弱い摂動（磁場や歪み）がどのように顕在的な対称性破れを誘発するかを調査すること。
• 過去の実験で観測された輸送異方性が内在的ではなく、外部からの摂動に起因することを確立すること。
• 系がループ電流相にきわめて近接しており、外部からの調整によってのみフラックス秩序が誘発されることを示すことにより、矛盾する実験結果を統合すること。
• 相関する量子材料における真の対称性破れを特定するには、歪みおよび磁場の微細制御が不可欠であることを示すこと。

提案手法

• 外部摂動を最小限に抑えるために、高対称性でほぼ歪みのないCsV₃Sb₅単結晶の作製。
• 最大2 Tの外部磁場を印加した状態で、ゼロ磁場下および磁場下における面内電気輸送測定。
• 結合秩序（Δ）とフラックス秩序（Δ′）の間の結合をモデル化するためのギンツブルグ＝ランドウ（GL）理論の使用、温度および磁場依存性を含む。
• 垂直磁場がループ電流秩序パラメータに結合することで、面内異方性を誘発できることを示す対称性解析。
• 実験データとGL理論の予測を比較し、時間反転対称性破れ相への臨界的接近状態を検証。
• 温度および磁場を系統的に変化させ、相図をマップし、2つの異なる転移温度T_CDWおよびT′（磁場誘発異方性）を特定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜCsV₃Sb₅の実験では、時間反転対称性破れとネマチック秩序に関する矛盾する証拠が報告されるのか？
• RQ2 弱い磁場および歪みが、見かけ上等方的な材料においてどのように顕在的な面内輸送異方性を誘発するのか？
• RQ3 観測された異方性は、電荷秩序状態そのものに内在するものか、外部摂動によって誘発されたものか？
• RQ4 結合秩序とフラックス秩序の共存が、磁場および歪み依存の輸送応答をどのように説明できるか？
• RQ5 輸送測定で観測された2つの異なる温度スケールT_CDWおよびT′の物理的起源は何か？

主な発見

• 純粋なCsV₃Sb₅は、いかなる温度でも顕著な面内輸送異方性を示さず、六重回転対称性が保存されていることが示された。
• 弱い磁場（0.1 Tでさえも）や歪みが加わると、顕著な面内輸送異方性が即座に出現し、2 Tに達するまでその異方性は増大した。
• この異方性は、フラックス秩序パラメータ（Δ′）の出現に起因し、これは結合秩序（Δ）と結合しており、Δ′が非ゼロである場合にのみ時間反転対称性破れが発現する。
• 系は時間反転対称性破れ相にきわめて近接しており、フラックス秩序は磁場や歪みによる摂動が加わるまで凝縮しない。
• 磁場下での異方性の温度依存性がギンツブルグ＝ランドウ理論の予測と一致し、秩序パラメータ間の結合の役割が確認された。
• 温度を上昇させることで系は等方的状態に近づくことが示され、GL位相図と整合的であり、ループ電流相への臨界的接近が裏付けられた。