[論文レビュー] Evidence for an odd-parity nematic phase above the charge density wave transition in kagome metal CsV$_3$Sb$_5$

Tomoya Asaba, Asato Onishi+17 more|arXiv (Cornell University)|Sep 29, 2023

Quantum, superfluid, helium dynamics被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、電荷密度波（CDW）転移温度（T_CDW = 94 K）より高い温度におけるカグラム金属CsV₃Sb₅における奇パリティなネマチック相の熱力学的証拠を提供する。高感度トルクおよびエラストロレスタンス測定を用いて、T* ≈ 130 K未満で明確な二重対称性の平面内磁気的異方性が観測され、エラストロレスタンスの異常は認められないことから、偶パリティな軌道ネマチック性ではなく、奇パリティなネマチック秩序であると示唆される。円錐磁場下での一次転移の観測は時間反転対称性の破れを確認し、CDW転移の前段階としてのループ電流状態を示唆する。

ABSTRACT

The quest for fascinating quantum states arising from the interplay between correlation, frustration, and topology is at the forefront of condensed-matter physics. Recently discovered nonmagnetic kagome metals $A$V${_3}$Sb${_5}$ ($A=$ K, Cs, Rb) with charge density wave (CDW) and superconducting instabilities may host such exotic states. Here we report that an odd electronic nematic state emerges above the CDW transition temperature ($T_{ m CDW}=94$ K) in CsV${_3}$Sb${_5}$. High-resolution torque measurements reveal a distinct twofold in-plane magnetic anisotropy that breaks the crystal rotational symmetry below $T^*\approx130$ K. However, no relevant anomalies are detected in the elastoresistance data near $T^*$, which excludes the even-parity ferro-orbital nematicity often found in other superconductors. Moreover, in the temperature range between $T_{ m CDW}$ and $T^*$, conical rotations of magnetic field yield a distinct first-order phase transition, indicative of time-reversal symmetry breaking. These results provide thermodynamic evidence for the emergence of an odd-parity nematic order, implying that an exotic loop-current state precedes the CDW in CsV$_3$Sb$_5$.

研究の動機と目的

• CsV₃Sb₅におけるCDW転移温度より高い温度での電子的ネマチック秩序の性質を、熱力学的プローブを用いて特定すること。
• CDW秩序が存在しない状況で、偶パリティ（フェロ軌道）と奇パリティ（ループ電流型）のネマチック状態を区別すること。
• 時間反転対称性の破れの開始温度とネマチック秩序およびCDW形成との関係を特定すること。
• A V₃Sb₅系におけるネマチック秩序およびTRSBの開始温度に関する矛盾する報告を、体積的熱力学的測定を用いて解消すること。
• CsV₃Sb₅が、奇パリティネマチック秩序およびループ電流を含む特異な対称性破れ相を研究するためのプラットフォームとして確立されること。

提案手法

• 回転対称性の破れを検出するため、ピエゾ抵抗性マイクロカンチレバー技術を用いた高分解能の平面内磁気トルク測定。
• 時間反転対称性の破れを調べるため、円錐磁場を適用し、一次転移を示す第一級相転移を特定。
• 一軸ひずみを用いた同時エラストロレスタンス測定により、偶パリティネマチック感受度を検出。ピエゾエレクトリックスタックとひずみゲージのキャリブレーションを用いる。
• 京都市立大学およびUC サンタバーバラで、磁性不純物を排除するため非磁性クーリングを用いて単結晶を成長。
• トルクを τ = (a t² / 2π_L) × (ΔR / R_s) で表し、a および t はカンチレバーの寸法、π_L はピエゾ抵抗係数、ΔR/R_s はブリッジ応答。
• ピエゾエレクトリックアクチュエータを用いて平面内ひずみ ε_xx および ε_yy を制御し、ポisson比を用いて垂直ひずみを推定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CsV₃Sb₅におけるCDW転移温度より高い温度に、電子的ネマチック相が出現するか。そのパリティは何か。
• RQ2 観測されたネマチック秩序は、偶パリティ（フェロ軌道）か、奇パリティ（ループ電流型）の性質を示すか。
• RQ3 ネマチック秩序の開始温度（T*）とCDW転移温度（T_CDW = 94 K）との関係は何か。
• RQ4 時間反転対称性の破れはT_CDWより高い温度で発生するか。また、ネマチック転移と関連しているか。
• RQ5 A V₃Sb₅系におけるネマチック秩序およびTRSBの開始温度に関する長年の論争を、熱力学的ボリュームプローブによって解消できるか。

主な発見

• T* ≈ 130 K未満で明確な二重対称性の平面内磁気的異方性が観測され、T_CDW = 94 Kより高い温度でネマチック秩序の開始が示唆される。
• T*近傍でエラストロレスタンスに異常が認められないことから、偶パリティフェロ軌道ネマチック秩序の可能性は排除され、奇パリティネマチック状態の存在が支持される。
• 円錐磁場スイープにより一次転移が観測され、T_CDWより高い温度で時間反転対称性の破れの直接的証明が得られた。
• 奇パリティネマチック秩序とTRSBの共存は、CDW形成の前段階としてキラルなループ電流状態が出現することを示唆する。
• 本研究は、CsV₃Sb₅が従来の偶パリティネマチック状態とは異なる、特異な前CDW奇パリティネマチック相の宿主であることを確立した。
• 熱力学的ボリュームプローブを用いることで、ネマチック秩序およびTRSBがT_CDWではなくT_CDWより高い温度で開始されることを示し、矛盾する報告を解消した。