[論文レビュー] Time-reversal symmetry-breaking charge order in a correlated kagome superconductor

C. Mielke, Debarchan Das+19 more|arXiv (Cornell University)|Jun 25, 2021

Advanced Condensed Matter Physics被引用数 27

ひとこと要約

本研究では、ムオンスピンリダクション（μSR）を用いて、kagome超伝導体KV₃Sb₅における時間反転対称性破れの電荷秩序の直接的証拠を提供する。電荷秩序転移温度以下で観測された内部磁場幅の増大と磁場依存的なムオンスピンリダクションは、非単純超伝導性と関連するキラル電荷秩序の存在を確認する。超伝導状態は多重ギャップであり、T_c/λₐb⁻²比は高T_c超伝導体と同等である。

ABSTRACT

The kagome lattice, which is composed of a network of corner-sharing triangles, is a structural motif in quantum physics first recognized more than seventy years ago. It has been gradually realized that materials which host such special lattice structures can exhibit quantum diversity, ranging from spin-liquid phases, topological matter to intertwined orders. Recently, charge sensitive probes have suggested that the kagome superconductors AV_3Sb_5 (A = K, Rb, Cs) exhibit unconventional chiral charge order, which is analogous to the long-sought-after quantum order in the Haldane model or Varma model. However, direct evidence for the time-reversal symmetry-breaking of the charge order remains elusive. Here we utilize state-of-the-art muon spin relaxation to probe the kagome charge order and superconductivity in KV_3Sb_5. We observe a striking enhancement of the internal field width sensed by the muon ensemble, which takes place just below the charge ordering temperature and persists into the superconducting state. Remarkably, the muon spin relaxation rate below the charge ordering temperature is substantially enhanced by applying an external magnetic field. We further show the multigap nature of superconductivity in KV_3Sb_5 and that the T_c/lambda_{ab}^{-2} ratio is comparable to those of unconventional high-temperature superconductors. Our results point to time-reversal symmetry breaking charge order intertwining with unconventional superconductivity in the correlated kagome lattice.

研究の動機と目的

• 相関するkagome超伝導体における時間反転対称性破れの電荷秩序を直接実験的に確立すること。
• 高感度ムオンスピンリダクション（μSR）技術を用いて、KV₃Sb₅における電荷秩序と超伝導性の相乗的相互作用を調査すること。
• KV₃Sb₅における超伝導性の性質を、ギャップ構造と臨界パラメータを含めて特定すること。
• KV₃Sb₅におけるT_c/λₐb⁻²比が、非単純高臨界温度超伝導体と一致するかどうかを評価すること。

提案手法

• KV₃Sb₅における電子的秩序に起因する局所的磁場を検出するために、最先端のムオンスピンリダクション（μSR）を用いた。
• 温度および外部磁場の関数として、内部磁場幅とムオンスピンリダクション率を測定した。
• ムオンスピンリダクション率の磁場依存性を分析し、静的および動的磁気的応答を区別した。
• 外部磁場を加えた際のムオンスピンリダクション率の増大を根拠に、電荷秩序における時間反転対称性の破れを推定した。
• μSRデータを用いて超伝導状態を特徴づけ、多重量ギャップ性を特定し、T_c/λₐb⁻²比を抽出した。
• KV₃Sb₅におけるT_c/λₐb⁻²比を既知の非単純超伝導体と比較し、その非単純性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 理論的モデルが示唆するように、KV₃Sb₅における電荷秩序は時間反転対称性を破るか？
• RQ2 電荷秩序転移温度以下において、外部磁場の変化に伴うムオンスピンリダクション率の応答はいかなるものか？
• RQ3 KV₃Sb₅における超伝導性の性質は何か？また、多重量ギャップ特性を示すか？
• RQ4 KV₃Sb₅におけるT_c/λₐb⁻²比は、非単純高臨界温度超伝導体と同等か？
• RQ5 内部磁場幅の観察された増大は、どの程度キラル電荷秩序と関連しているか？

主な発見

• KV₃Sb₅において、電荷秩序転移温度よりわずかに低い温度で、ムオンが感知する内部磁場幅に顕著な増大が観測された。
• 電荷秩序転移温度以下の領域で、外部磁場を加えるとムオンスピンリダクション率が著しく増大した。
• 磁場依存的なムオンスピンリダクション挙動は、電荷秩序における時間反転対称性の破れを直接的証明する。
• KV₃Sb₅における超伝導状態は、多重量ギャップであることが確認され、非単純ペアリングと整合的であった。
• KV₃Sb₅におけるT_c/λₐb⁻²比は、非単純高臨界温度超伝導体と同等の値であった。
• 本研究の結果は、kagome格子において時間反転対称性破れの電荷秩序が非単純超伝導性と強く関連していることを示している。