[論文レビュー] No observation of chiral flux current in the topological kagome metal CsV$_{3}$Sb$_{5}$

Huazhou Li, Wan, Siyuan+8 more|arXiv (Cornell University)|Jul 23, 2021

Topological Materials and Phenomena被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、時間反転対称性の破れおよび異常ホール効果を説明するべく提案された、キラルなフラックス電流秩序の存在を、トポロジカルなカグラメタルCsV₃Sb₅においてスピン極化型走査トンネル顕微鏡（SP-STM）を用いて探索した。2a₀×2a₀の電荷密度波および4a₀ストライプ秩序が明確に検出されたが、スピン差分信号や磁化モーメントの兆候は観測されず、キラルループ電流に起因する磁化モーメントの上限は0.2 μB未満であると制限された。

ABSTRACT

Compounds with kagome lattice usually host many exotic quantum states, including the quantum spin liquid, non-trivial topological Dirac bands and a strongly renormalized flat band, etc. Recently an interesting vanadium based kagome family $A$V$_{3}$Sb$_{5}$ ($A$ = K, Rb, or Cs) was discovered, and these materials exhibit multiple interesting properties, including unconventional saddle-point driving charge density wave (CDW) state, superconductivity, etc. Furthermore, some experiments show anomalous Hall effect which inspires that there might be some chiral flux current states. Here we report scanning tunneling measurements by using spin-polarized tips. Although we have observed clearly the $2a_0 imes2a_0$ CDW and $4a_0$ stripe orders, the well-designed experiments with refined spin-polarized tips do not reveal any trace of the chiral flux current phase in CsV$_3$Sb$_5$ within the limits of experimental accuracy. No observation of the local magnetic moment in our experiments may put an upper bound constraint on the magnitude of magnetic moments induced by the possible chiral loop current which has a time-reversal symmetry breaking along $c$-axis in CsV$_{3}$Sb$_{5}$.

研究の動機と目的

• スピン極化型Crチップを用いた走査トンネル顕微鏡および分光法（SP-STM/STS）を用いて、カグラメタルCsV₃Sb₅におけるキラルフラックス電流秩序の直接的探査を目的とする。
• 異常ホール効果から推定されるc軸に沿った時間反転対称性の破れが、キラルな軌道電流に起因するという仮説を検証することを目的とする。
• 観測された異常ホール効果が、局所的磁化モーメントを有するキラル電荷秩序相に関連しているかどうかを特定することを目的とする。
• 仮想のキラルループ電流が誘導する磁化モーメントの大きさの上限を確立することを目的とする。
• AV₃Sb₅系材料におけるキラル電荷秩序および磁場駆動性に関する矛盾する報告を解消することを目的とする。

提案手法

• スピン極化型Crチップを用いた走査トンネル顕微鏡および分光法（SP-STM/STS）を用いて、局所的磁化モーメントを検出する。
• CsV₃Sb₅の表面において、チップのスピン極化状態を変化させながら、空間的に分解能のある測定を実施し、トンネルスペクトルの違いを比較する。
• トンネルスペクトルのフーリエ変換を分析し、CDW秩序パターンにおける磁気的異方性またはスピンテクスチャの有無を検出する。
• 磁場強度（最大4 T）および磁場の向きを変化させ、キラル電荷秩序の磁場駆動性をテストする。
• 背景ノイズを最小限に抑え、微弱な磁気信号に対する感度を向上させるための洗練された実験設計を採用する。
• 理論的予測（キラルループ電流が局所的磁化モーメントを約0.2 μB以下に生成すると予想）と結果を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CsV₃Sb₅におけるキラルフラックス電流相は、スピン極化トンネルによって検出可能な局所的磁化モーメントを生成するか？
• RQ2 キラル電流に起因する時間反転対称性の破れを示す測定可能なスピン差分信号がトンネルスペクトルに存在するか？
• RQ3 2a₀×2a₀の電荷密度波秩序は、磁場やチップのスピン極化状態を変化させた際にスピンテクスチャや磁気的異方性を示すか？
• RQ4 実験的感度を考慮した場合、SP-STMがキラルループ電流の磁気的シグネチャを解像できるか？
• RQ5 CsV₃Sb₅におけるキラルループ電流が誘導する磁化モーメントの大きさの上限は何か？

主な発見

• SP-STMデータにおいて、明確な2a₀×2a₀の電荷密度波および4a₀ストライプ秩序パターンが観測され、CDW状態の存在が確認された。
• 上向きおよび下向きのスピン極化チップ間でスピン差分信号が検出されず、実験の分解能範囲内では局所的磁化モーメントは観測されなかった。
• 異なる磁場およびチップ極化状態におけるフーリエ変換スペクトルに強度の変調がないことから、キラル電荷秩序に関連するスピンテクスチャは存在しないことが排除された。
• 実験的感度に基づき、キラルループ電流に起因する磁化モーメントの上限は0.2 μB未満に制限された。
• 最大4 Tまでに、2a₀×2a₀のCDWパターンにおける磁場駆動性キラル電荷秩序の証拠は得られなかった。
• 最近のμSR測定結果（CDW転移温度以下でスピン緩和率のわずかな増大が観測されるが、長距離磁気秩序やキラル電流相の明確なシグネチャは見られない）と整合的である。