[論文レビュー] Three-state nematicity and magneto-optical Kerr effect in the charge density waves in kagome superconductors

Yishuai Xu, Zhuoliang Ni+7 more|arXiv (Cornell University)|Apr 21, 2022

Topological Materials and Phenomena被引用数 15

ひとこと要約

本研究は、走査双屈折顕微鏡および磁気光学カー効果を用いて、kagome超伝導体AV₃Sb₅において三状のネマティック秩序および時間反転対称性の破れを同定した。これは、電荷密度波（CDW）転移温度において六重回転対称性と時間反転対称性が同時に破れることが示された。この結果は、層間でπ位相シフトを持つスピン密度波秩序のモデルを支持し、ループ電流の直接的証拠を提供し、これらの関連量子材料における対称性の破れに関する長年の論争を解決する。

ABSTRACT

The kagome lattice provides a fascinating playground to study geometrical frustration, topology and strong correlations. The newly-discovered kagome metals AV$_3$Sb$_5$ (where A can refer to K, Rb, or Cs) exhibit phenomena including topological band structure, symmetry-breaking charge-density waves and superconductivity. Nevertheless, the nature of the symmetry breaking in the charge-density wave phase is not yet clear, despite the fact that it is crucial in order to understand whether the superconductivity is unconventional. In this work, we perform scanning birefringence microscopy on all three members of this family and find that six-fold rotation symmetry is broken at the onset of the charge-density wave transition in all these compounds. We show that the three nematic domains are oriented at 120$^\circ$ to each other and propose that staggered charge-density wave orders with a relative $π$ phase shift between layers is a possibility that can explain these observations. We also perform magneto-optical Kerr effect and circular dichroism measurements. The onset of both signals is at the transition temperature, indicating broken time-reversal symmetry and the existence of the long-sought loop currents in that phase.

研究の動機と目的

• kagome超伝導体AV₃Sb₅における電荷密度波（CDW）秩序が六重対称性を破るか、あるいは二重対称性を破るかという長年の議論を解消すること。
• 時間反転対称性（TRS）の破れの発現温度を特定し、CDW転移との関係を明らかにすること。
• マイクロスケールのイメージング技術を用いて、AV₃Sb₅におけるループ電流の直接的な実験的証拠を提供すること。
• 三つのネマティック領域が120°の方向に配置されていることから、CDW秩序の理論的モデルを制約すること。
• マクロスケール、ナノスケール、ゼロ磁場測定の間の矛盾を解消し、TRS破れの秩序パラメータの性質を明確にすること。

提案手法

• 入射ビームの方位角を変化させたときの偏光状態の変化を測定することで、回転対称性の破れを検出するため、走査双屈折顕微鏡が用いられた。
• 時間反転対称性の破れを検出するため、磁気光学カー効果（MOKE）および円二色性（CD）が測定され、磁気双極子モーメントおよびベリー曲率寄与からの信号が抽出された。
• 理論的モデルが開発され、カー効果と双屈折の寄与を分離した。その結果、10⁻⁶レベルで双屈折寄与は無視可能であることが示された。
• 背景ノイズからの信号分離を図るため、基本周波数および高調波周波数でのロックイン検出が実験装置に組み込まれた。
• CD効果の理論的解析により、信号は電気双極子（時間反転対称性下で奇関数）および電気・磁気双極子混合項（鏡対称性・逆転対称性下で奇関数）に起因しており、TRS破れの検出が可能であることが明らかになった。
• 層間でπ位相シフトを持つCDW秩序の理論的モデルが用いられ、観測された三状ネマティック秩序および対称性の低下を説明した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 AV₃Sb₅における電荷密度波転移は六重回転対称性を破るか？ その転移温度は何か？
• RQ2 CDW転移において時間反転対称性は破れているか？ そして、これはCDW秩序の発現と直接関連しているか？
• RQ3 破れた対称性の性質は二重対称性か三状ネマティック秩序か？ そして、これは層間CDW位相の整合性とどのように関係するか？
• RQ4 観測された磁気光学カー効果および円二色性信号は、ループ電流または他のTRS破れ秩序パラメータに起因するか？
• RQ5 CDW秩序における層間位相シフトは、全体の結晶対称性および電子的応答にどのように影響するか？

主な発見

• すべての三つのAV₃Sb₅化合物（A = K, Rb, Cs）において、CDW転移温度で六重回転対称性が破れ、120°の角度で配置された三つのネマティック領域が観測された。
• 磁気光学カー効果および円二色性信号の発現が、CDW転移温度と完全に一致した。これは、その時点で時間反転対称性が破れていることを確認した。
• 円二色性信号に対する双屈折補正は約10⁻⁶と推定され、測定されたCD信号に比べて無視できることが確認された。
• 観測された三状ネマティック秩序は、隣接層間にπ位相シフトを持つスピン密度波秩序のモデルで説明され、六重対称性から三重対称性に低下した。
• 本研究は、kagome超伝導体におけるループ電流の直接的実験的証拠を提供し、長年の分野的論点を解決した。
• マイクロスケール走査双屈折顕微鏡は、ナノスケールSTMとマクロスケール測定の間のギャップを埋め、理論的モデルに新たな制約をもたらした。