[論文レビュー] Time-reversal symmetry breaking in charge density wave of CsV$_3$Sb$_5$ detected by polar Kerr effect

Yajian Hu, Soichiro Yamane+11 more|arXiv (Cornell University)|Aug 17, 2022

Topological Materials and Phenomena被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、サブマイクロラジアン分解能を実現する超高感度偏光ケル効果測定を用いて、CsV₃Sb₅の電荷密度波（CDW）状態における時間反転対称性の自発的破れ（TRSB）を検出する。主な発見は、T_CDW = 94 K未満で外部磁場なしでも非ゼロのケル角が観測され、CDW転移付近で磁場でスイッチ可能なケルジャンプが観測されたことである。これにより、キラルループ電流秩序と非自明なバンドトポロジーに起因する磁気・キラル結合の直接的証明が得られた。

ABSTRACT

The Kagome lattice exhibits rich quantum phenomena owing to its unique geometric properties. Appealing realizations are the Kagome metals AV$_3$Sb$_5$ (A = K, Rb, Cs), where unconventional charge density wave (CDW) is intertwined with superconductivity and non-trivial band topology. Several experiments suggest that this CDW is a rare occurrence of chiral CDW characterized by orbital loop current. However, key evidences of loop current, spontaneous time-reversal symmetry-breaking (TRSB) and the coupling of its order parameter with the magnetic field remain elusive. Here, we investigate the CDW in CsV3Sb5 by magneto-optic polar Kerr effect with sub-microradian resolution. Under magnetic field, we observed a jump of the Kerr angle at the CDW transition. This jump is magnetic-field switchable and scales with field, indicating magneto--chirality coupling related to non-trivial band topology. At zero field, we found non-zero and field-trainable Kerr angle below CDW transition temperature, signaling spontaneous TRSB. Our results provide a crucial step to unveil quantum phenomena in correlated Kagome materials.

研究の動機と目的

• CsV₃Sb₅の電荷密度波（CDW）状態における時間反転対称性の自発的破れ（TRSB）を検出すること。
• A V₃Sb₅における非代替的CDWがキラルループ電流か、実際の電荷秩序によって駆動されているかという長年の論争を解消すること。
• CDW秩序パラメータと外部磁場との結合、特に磁気・キラル応答を調べること。
• 高分解能磁気光学ケル効果を、量子カグラメタリカル材料における非自明な対称性の破れを感受する高感度プローブとして確立すること。

提案手法

• サブマイクロラジアン分解能を実現するゼロループSagnac干渉計を用い、1550 nm帯の帯域幅110 nmの光を用いて、偏光ケル角（θ_K）の測定を実施した。
• c軸に沿った磁場（最大11 T）および低温（1.9 Kまで）測定を実施した。
• ファイバーベースのセットアップを用い、反射光ビームにπ位相シフトを導入することで、バックグラウンドフリーなケル回転測定を実現した。
• TRSBドメインを整列させるための磁場トレーニング実験を実施し、磁場を除去した後のゼロ場測定により、残留TRSBを評価した。
• CDW転移（約94 K）付近で、ゼロ場および有限磁場条件下でθ_Kを高精度で測定した。
• SQUID磁化率測定およびラウエ回折からの補足的データを用いて、ケル応答と構造的・電子的性質の相関を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CsV₃Sb₅の電荷密度波（CDW）状態は、T_CDW未満で時間反転対称性（TRSB）を自発的に破るか？
• RQ2 観測されたTRSBは外部磁場に結合しており、非自明なバンドトポロジーに起因する磁気・キラル効果を示唆するか？
• RQ3 偏光ケル効果は、キラルループ電流秩序をCDW相で検出可能であり、実際の電荷秩序や構造的キラリティと区別できるか？
• RQ4 磁場はCsV₃Sb₅のCDW状態におけるTRSBドメインの整列とトレーニングに果たす役割は何か？
• RQ5 60 Kおよび80 K付近のケル応答における異常から、CsV₃Sb₅に複数の競合するCDW相が存在するのだろうか？

主な発見

• ゼロ磁場下でT_CDW = 94 K未満で非ゼロの偏光ケル角（θ_K）が観測され、CDW状態における時間反転対称性の自発的破れの直接的証明が得られた。
• ケル角はCDW転移付近で磁場でスイッチ可能なジャンプを示し、ジャンプの大きさ（Δθ_K）は印加磁場に比例し、磁場反転によって符号が反転した。
• Δθ_Kと磁場との観測された磁気・キラル結合は、CDW秩序パラメータと外部磁場との強い相互作用を示しており、非自明なバンドトポロジーと整合的である。
• 磁場トレーニング実験により、中程度の磁場でTRSBドメインを整列させ、磁場除去後も非ゼロのケル信号が持続することを確認した。これにより、メタスタブルなキラルドメインの存在が裏付けられた。
• CDW状態内に複数の相転移が存在する明確な証拠は得られなかったが、60 Kおよび80 K付近での勾配や強度の微細な変化は、競合する相の存在を示唆している。
• データは実際の電荷秩序や構造的キラリティのみでは説明できないため、CsV₃Sb₅のCDW状態におけるTRSBの起源としてキラルループ電流秩序のシナリオが強く支持された。