[論文レビュー] Optical Manipulation of the Charge Density Wave state in RbV3Sb5

Yuqing Xing, Seokjin Bae+9 more|arXiv (Cornell University)|Aug 8, 2023

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、レーザー結合型走査トンネル顕微鏡を用いて、RbV3Sb5における電荷密度波（CDW）状態の可逆的光制御を実証し、時間反転対称性の破れを示す相を明らかにした。結果は、線形偏光がCDWピーク強度を切り替えることを示しており、強い電子-格子振動子結合と、結合電荷秩序とループ電流を組み合わせた新しい共鳴的CDWフラックス相を示している。

ABSTRACT

Broken time-reversal symmetry in the absence of spin order indicates the presence of unusual phases such as orbital magnetism and loop currents. The recently discovered family of kagome superconductors AV$_3$Sb$_5$ (A = K, Rb, or Cs), hosting an exotic charge-density wave (CDW) state, has emerged as a strong candidate for this phase. While initial experiments suggested that the CDW phase breaks time-reversal symmetry, this idea is being intensely debated due to conflicting experimental data. In this work we use laser-coupled scanning tunneling microscopy (STM) to study RbV$_3$Sb$_5$. STM data shows that the Fourier intensities of all three CDW peaks are different, implying that the CDW breaks rotational and mirror symmetries. By applying linearly polarized light along high-symmetry directions, we show that the relative intensities of the CDW peaks can be reversibly switched, implying a substantial electro-striction response, indicative of strong non-linear electron-phonon coupling. A similar CDW intensity switching is observed with perpendicular magnetic fields, which implies an unusual piezo-magnetic response that, in turn, requires time-reversal symmetry-breaking. We show that the simplest CDW that satisfies these constraints and reconciles previous seemingly contradictory experimental data is an out-of-phase combination of bond charge order and loop currents that we dub congruent CDW flux phase. Our laser-STM data opens the door to the possibility of dynamic optical control of complex quantum phenomenon in correlated materials.

研究の動機と目的

• RbV3Sb5におけるCDW状態が時間反転対称性を破るかどうかの議論を解消すること。
• カグラメートル超伝導体のCDW相における電子-格子振動子結合と対称性の破れの役割を調査すること。
• 外部の光場がCDW秩序パラメータを可逆的に操作できるかどうかを特定すること。
• AV3Sb5材料におけるCDW状態に関する矛盾する実験的データを統合すること。
• 観察された非線形応答の微視的起源を同定すること。

提案手法

• 光励起下での局所的電子的構造をプローブするために、レーザー結合型走査トンネル顕微鏡（STM）を用いた。
• 実空間におけるCDWピークのフーリエ強度を測定し、電荷秩序における対称性の破れを評価した。
• 高対称性結晶方向に沿って線形偏光を照射し、CDWピーク強度を変調した。
• 垂直磁場を用いてピエゾ磁気応答を測定し、時間反転対称性の破れを推測した。
• 光の偏光および磁場の関数としてのCDWピークの相対的強度変化を分析した。
• 結合電荷秩序とループ電流を組み合わせた共鳴的CDWフラックス相の理論的モデルを提案し、データを説明した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 RbV3Sb5におけるCDW状態は時間反転対称性を破るのか。その証拠は何か？
• RQ2 円偏光または線形偏光を用いることで、CDWピークの相対的強度を可逆的に制御できるか？
• RQ3 観察された非線形電歪み応答の起源は何か？
• RQ4 磁場がCDW秩序に与える影響は何か。これは対称性保護について何を示唆するか？
• RQ5 矛盾する実験的観察を統合する微視的構造を持つCDW相は何か？

主な発見

• RbV3Sb5における3つのCDWピークは、異なるフーリエ強度を示し、回転対称性および鏡映対称性の破れを確認した。
• 高対称性方向に沿った線形偏光を照射することで、CDWピークの相対的強度が可逆的に切り替わることを確認し、強い電歪み効果を示した。
• 垂直磁場下でも同様のスイッチング効果が観察され、非典型なピエゾ磁気応答を示した。
• 観察された応答は時間反転対称性の破れを要請し、CDW状態にループ電流が存在することを支持した。
• データは、結合電荷秩序とループ電流を組み合わせた共鳴的CDWフラックス相によって最もよく説明され、過去の矛盾する結果を統合した。
• 本研究は、関連性の高いカグラメートル材料における複雑な量子状態の動的光制御を実証した。