[論文レビュー] High Resolution Polar Kerr Effect Studies of CsV${}_3$Sb${}_5$: Tests for Time Reversal Symmetry Breaking Below the Charge Order Transition

David R. Saykin, Camron Farhang+9 more|arXiv (Cornell University)|Sep 21, 2022

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 14

ひとこと要約

本研究では、1550 nmの超安定Sagnac干渉計を用いた高分解能極性ケラ効果測定を実施し、T* ≈ 94 Kで遷移する電荷秩序状態における時間反転対称性破れ（TRSB）の有無を検証した。30 nrad未満の検出限界でケラ回転が観測されなかったため、電荷秩序状態にTRSBの証拠は認められず、関連材料における異常ホール効果やケラ信号の報告とは対照的である。

ABSTRACT

We report high resolution polar Kerr effect measurements on CsV${}_3$Sb${}_5$ single crystals in search for signatures of spontaneous time reversal symmetry breaking below the charge order transition at $T^* \approx 94$ K. Utilizing two different versions of zero-area loop Sagnac interferometers operating at 1550 nm wavelength, each with the fundamental attribute that without a time reversal symmetry breaking sample at its path, the interferometer is perfectly reciprocal, we find no observable Kerr effect to within the noise floor limit of the apparatus at 30 nanoradians. Simultaneous coherent reflection ratio measurements confirm the sharpness of the charge order transition in the same optical volume as the Kerr measurements. At finite magnetic field we observe a sharp onset of a diamagnetic shift in the Kerr signal at $T^*$, which persists down to the lowest temperature without change in trend. Since 1550 nm is an energy that was shown to capture all features of the optical properties of the material that interact with the charge order transition, we are led to conclude that it is highly unlikely that time reversal symmetry is broken in the charge ordered state in CsV${}_3$Sb${}_5$.

研究の動機と目的

• CsV₃Sb₅の電荷秩序状態における自発的時間反転対称性破れ（TRSB）の有無をT* ≈ 94 K未満で検証すること。
• AV₃Sb₅材料におけるTRSBに関する矛盾する報告（異常ホール効果やケラ信号を含む）を解明すること。
• 超安定Sagnac干渉計を用いて1550 nmでサブナノラジアンの感度を達成すること。
• 外部光学素子と正確なキャリブレーションにより、熱的および機器的バックグラウンドオフセットを除去すること。
• 輸送および磁気測定と照合することで、TRSBを他の秩序パラメータから分離すること。

提案手法

• TRSBが存在しない状況でも誤ったケラ信号を生じない内在的相反性を持つ、2つのゼロ面積ループSagnac干渉計を1550 nmで使用した。
• 繊維光学ヘッドおよび干渉計を冷凍スタティックの外側に配置し、光学窓による熱的ドリフトおよびバックグラウンドオフセットを回避した。
• 室温での研磨アルミニウムミラーを用いて機器のオフセットをキャリブレーションし、1.6 μrad（電子的およびアライメントオフセット）と112 B μrad（光学窓のファラデー効果）を分離した。
• ゼロおよび有限磁場下での温度依存ケラ測定を実施し、同時に反射率比測定を実施して電荷秩序転移の鋭さを確認した。
• 高感度検出によりノイズフロアを30 nradにまで低下させ、TRSBに起因する微小ケラ回転の検出を可能にした。
• ケラデータとDC抵抗率および磁化率測定を照合し、構造的・電荷秩序的・対称性破れ転移を区別した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CsV₃Sb₅の電荷秩序状態において、T* ≈ 94 K未満で検出可能な自発的時間反転対称性破れは存在するか？
• RQ2 AV₃Sb₅材料で報告された過去の異常ホール効果およびケラ信号は、TRSBに起因するのか、それとも他の秩序パラメータに起因するのか？
• RQ3 1550 nmでの超高分解能極性ケラ測定により、相関するkagome材料におけるTRSBに起因するサブナノラジアン信号を解像できるか？
• RQ4 機器的および熱的バックグラウンド効果は、低温環境下のケラ測定にどのように影響を及ぼし、正確に差し引けるか？
• RQ5 有限磁場下でT*における電荷秩序転移にダイアマグネティックシフトが観測されるか？その結果は秩序の性質に何を示唆するか？

主な発見

• CsV₃Sb₅においてT* = 94 K未満で測定可能なケラ回転は観測されず、感度は30 nradに制限された。これはTRSBの証拠がないことを示している。
• 有限磁場下でT*におけるケラ信号に明確なダイアマグネティックシフトが観測されたが、これは構造的または軌道的転移に起因するものであり、TRSBとは一致しない。
• 同時に測定した反射率比により、同じ光学体積内で鋭い電荷秩序転移が確認され、測定の温度分解能が妥当であることが裏付けられた。
• 機器オフセットは1.6 μrad（電子的）＋112 B μrad（ファラデー効果）にキャリブレーションされ、このバックグラウンドを差し引くことで正確な温度依存ケラデータが得られた。
• T_A ≈ 37 Kでもケラ信号は検出されず、抵抗率にカクンが観測され、かつ電子的磁気的キラリティの報告があったにもかかわらず、この温度でTRSBは認められなかった。
• TRSBの欠如は、複数の試料および測定条件において一貫しており、一次的構造転移を示すNMR/NQRデータとも整合的である。