[論文レビュー] Revealing the immediate formation of two-fold rotation symmetry in charge-density-wave state of Kagome superconductor CsV$_3$Sb$_5$ by optical polarization rotation measurement

Qiong Wu, Z. X. Wang+9 more|arXiv (Cornell University)|Oct 21, 2021

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、超短パルスレーザーを用いた超高速光偏光回転測定により、kagome格子超伝導体CsV₃Sb₅の電荷密度波（CDW）状態がCDW転移温度（TCDW ≈ 94 K）未満で即座に二重回転対称性の破れが生じることを明らかにした。観測された偏光回転（ピーク値は約1 mrad、二重対称性を示す）は、ネミック秩序および可能性のある時間反転対称性の破れ（TRSB）を直接的に示す光学的証拠を提供する一方、整合的格子振動（phonon）の揺らぎが異方性を調制しており、格子力学とCDW秩序との強い結合を示している。

ABSTRACT

We report the observation of two-fold rotation symmetry in charge density wave (CDW) state in the newly discovered Kagome superconductor CsV$_3$Sb$_5$. Below its CDW transition temperature ($T_{CDW}$), the polarization rotation of the reflected laser beam promptly emerges and increases close to about 1 mrad, and the rotation angle shows two-fold rotation symmetry. With femtosecond laser pulse pumping, the rotation angle can be easily suppressed and then recovers in several picoseconds accompanied with coherent oscillations. Significantly, the oscillations in the signal also experience a 180 degree periodic change. Our investigation provides clear optical evidence for the formation of nematic order with two-fold rotation symmetry just below $T_{CDW}$. The results imply a immediate development of nematicity and possible time-reversal symmetry breaking in CDW state of CsV$_3$Sb$_5$.

研究の動機と目的

• kagome格子超伝導体CsV₃Sb₅の電荷密度波（CDW）状態における回転対称性の破れの出現を調査すること。
• 観測された光学的偏光回転が時間反転対称性の破れ（TRSB）に起因するのか、それとも層間積層の異方性に起因する屈折率の違い（バイレフリングンス）に起因するのかを特定すること。
• 整合的格子フォノンが、TCDW未満における面内異方性および偏光応答をどのように調制するかを調査すること。
• μSRで観測されたTRSB信号（70 K未満）と、TCDW ≈ 94 Kで観測された対称性の破れの開始時期の不一致を解明すること。
• 複数のプローブで観測された約60 K付近の異常を、体積的な二重対称性の破れとは区別してその起源を明確にすること。

提案手法

• 単結晶CsV₃Sb₅を用い、フェムト秒レーザーパルスを用いた超高速ポンプ・プローブ光学的偏光回転測定を実施した。
• 励起後の遅延時間および入射角（α）の関数として、反射レーザー光の偏光の回転角を測定した。
• 偏光回転の角度依存性を解析し、二重回転対称性成分を抽出した。
• 整合的フォノン振動を用いて格子力学とその異方的光学応答への調制を調査した。
• 時間分解信号を、TRSB（Kerr型）およびバイレフリングンス寄与を含むモデルと比較した。
• 整合的フォノンの位相および振幅を評価し、格子歪みとCDW強度・異方性の変化との関連を特定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CsV₃Sb₅の電荷密度波（CDW）転移は、直ちに二重回転対称性の破れを引き起こすか？
• RQ2 観測された光学的偏光回転は、時間反転対称性の破れ（TRSB）に起因するのか、それとも異方的層間積層に起因する屈折率の違いに起因するのか？
• RQ3 整合的A₁gフォノンは、面内異方性および偏光回転信号にどのように影響を与えるか？
• RQ4 反射率およびポンプ・プローブ測定で観測された約60 K付近の異常は、どのような起源を持つのか？
• RQ5 μSR測定では70 K未満でのみTRSB信号が観測されるが、なぜ対称性の破れはTCDW ≈ 94 Kで検出されるのか？

主な発見

• TCDW ≈ 94 K未満で、偏光回転が約1 mradの二重回転対称性を示す、急激な二重対称性の破れが出現した。
• 偏光回転は明確な二重対称性を示しており、CDW相におけるネミック電子状態の形成を示している。
• 超高速ポンプパルスにより一時的にCDW関連の偏光回転が抑制され、数ピコ秒以内に回復した。
• 整合的A₁gフォノン振動が、偏光回転の異方的成分を調制しており、振動に180°の周期的位相シフトを誘発した。
• 整合的フォノン振動の振幅は、cos(2πα/P - β)依存性を示し、格子振動による面内異方性の調制を明確に確認した。
• 約60 K付近の異常は、体積的な二重対称性の破れとは関連しないが、逆星型ダビッド層の再配列に起因する可能性がある。