[논문 리뷰] Evidence for an odd-parity nematic phase above the charge density wave transition in kagome metal CsV$_3$Sb$_5$

Tomoya Asaba, Asato Onishi외 17명|arXiv (Cornell University)|2023. 09. 29.

Quantum, superfluid, helium dynamics인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 전하 밀도파(CDW) 전이 온도(T_CDW = 94 K) 이상에서 카고믹 메탈 CsV₃Sb₅에 이odal 대칭성(nematic) 상이 존재하는 열역학적 증거를 제시한다. 고감도 토크 및 엘라스토레지스턴스 측정을 통해 T* ≈ 130 K 이하에서 명백한 이중 대칭성의 면내 자기 이방이 관측되었으며, 엘라스토레지스턴스에 이상 징후가 없어, 짝수 대칭성의 궤도 nematicity가 아닌 홀수 대칭성의 nematic 순서가 존재함을 시사한다. 원뿔형 자기장 하에서의 첫 번째 계급 전이 관측은 시간역행 대칭성의 붕괴를 확인하며, CDW 전이 이전의 루프 전류 상태를 지시한다.

ABSTRACT

The quest for fascinating quantum states arising from the interplay between correlation, frustration, and topology is at the forefront of condensed-matter physics. Recently discovered nonmagnetic kagome metals $A$V${_3}$Sb${_5}$ ($A=$ K, Cs, Rb) with charge density wave (CDW) and superconducting instabilities may host such exotic states. Here we report that an odd electronic nematic state emerges above the CDW transition temperature ($T_{ m CDW}=94$ K) in CsV${_3}$Sb${_5}$. High-resolution torque measurements reveal a distinct twofold in-plane magnetic anisotropy that breaks the crystal rotational symmetry below $T^*\approx130$ K. However, no relevant anomalies are detected in the elastoresistance data near $T^*$, which excludes the even-parity ferro-orbital nematicity often found in other superconductors. Moreover, in the temperature range between $T_{ m CDW}$ and $T^*$, conical rotations of magnetic field yield a distinct first-order phase transition, indicative of time-reversal symmetry breaking. These results provide thermodynamic evidence for the emergence of an odd-parity nematic order, implying that an exotic loop-current state precedes the CDW in CsV$_3$Sb$_5$.

연구 동기 및 목표

• CsV₃Sb₅에서 CDW 전이 온도 이상의 전자 nematic 순서의 성격을 열역학적 탐침을 통해 규명하는 것.
• CDW 순서가 없는 조건에서 짝수 대칭성(페로 궤도)과 홀수 대칭성(루프 전류 유사) nematic 상태를 구별하는 것.
• 시간역행 대칭성 붕괴의 시작 온도와 nematicity 및 CDW 형성 간의 관계를 규명하는 것.
• A V₃Sb₅에서 nematicity와 TRSB의 시작 온도에 대한 모순된 보고를 해결하기 위해 부피 기반 열역학적 측정을 활용하는 것.
• CsV₃Sb₅가 홀수 대칭성 nematicity와 루프 전류를 포함한 비정상적인 대칭성 붕괴 상을 연구하는 플랫폼으로서 확립하는 것.

제안 방법

• 회전 대칭성 붕괴를 통해 nematic 전이를 감지하기 위해 피에조저항성 마이크로 캔틸레버 기법을 사용한 고해상도 면내 자기 토크 측정.
• 시간역행 대칭성 붕괴를 탐지하기 위해 원뿔형 자기장을 적용하여 첫 번째 계급 전이를 확인함으로써 TRSB를 규명하는 방법.
• 이방성 응력에 의한 짝수 대칭성 nematic 감도를 감지하기 위해 단축성 응력과 함께 동시 엘라스토레지스턴스 측정을 수행하며, 피에조전기 스택과 응력 게이지 校정을 사용함.
• 교류가 없는 고온 용기로 큄부 대학 및 UC 어바나-샴프레인 대학에서 성장시킨 단일 결정을 사용함.
• 토크를 τ = (a t² / 2π_L) × (ΔR / R_s)로 정의함. 여기서 a와 t는 캔틸레버 치수, π_L는 피에조저항 계수, ΔR/R_s는 브리지 반응이다.
• 피에조전기 액추에이터를 통해 면내 응력 ε_xx와 ε_yy를 제어하며, 포isson 비율을 사용하여 수직 응력의 유추를 수행함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CsV₃Sb₅에서 CDW 전이 온도 이상에 전자 nematic 상이 나타나는가, 그 대칭성은 무엇인가?
• RQ2 관측된 nematic 순서는 짝수 대칭성(페로 궤도)인지 홀수 대칭성(루프 전류 유사)인지인가?
• RQ3 nematicity의 시작 온도(T*)와 CDW 전이 온도(T_CDW = 94 K) 간의 관계는 무엇인가?
• RQ4 시간역행 대칭성 붕괴는 T_CDW 이상에서 발생하는가, 그리고 nematic 전이와 관련이 있는가?
• RQ5 A V₃Sb₅에서 nematicity와 TRSB의 시작 온도에 대한 오랫동안 갈등해 온 문제를 부피 기반 열역학적 탐침으로 해결할 수 있는가?

주요 결과

• T* ≈ 130 K 이하에서 명백한 이중 대칭성의 면내 자기 이방이 나타나며, 이는 T_CDW = 94 K 이상에서 nematic 순서의 시작을 시사한다.
• T* 근처에서 엘라스토레지스턴스에 이상 징후가 없어, 짝수 대칭성의 페로 궤도 nematicity는 배제되며, 이는 홀수 대칭성 nematic 상태 존재를 지지한다.
• 원뿔형 자기장 스윕을 통해 첫 번째 계급 전이가 관측되어, T_CDW 이상에서 시간역행 대칭성 붕괴에 대한 직접적 증거를 제공한다.
• 홀수 대칭성 nematicity와 TRSB가 T_CDW 이상에서 공존함을 통해, CDW 형성 이전에 캐리어가 비대칭적인 루프 전류 상태가 존재함을 시사한다.
• 결과적으로, CsV₃Sb₅는 전통적인 짝수 대칭성 nematic 상태와는 다름없이, 예외적인 전기 CDW 이전의 홀수 대칭성 nematic 상을 지닌 플랫폼으로서 확립된다.
• 열역학적 부피 탐침을 통해 nematicity와 TRSB가 T_CDW에서가 아니라 T_CDW 이상에서 시작됨을 입증함으로써, 오랫동안 갈등해 온 보고를 해결한다.