[논문 리뷰] No observation of chiral flux current in the topological kagome metal CsV$_{3}$Sb$_{5}$

Huazhou Li, Wan, Siyuan외 8명|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 23.

Topological Materials and Phenomena인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 상전이적 카그롬 금속 CsV₃Sb₅에서 나선형 플럭스 전류 순서를 스핀 편향성 탐침 현미경(SP-STM)을 사용해 탐색한다. 이 상태는 시간역행 대칭 위반과 비정상적 홀 효과를 설명하기 위해 제안된 것이다. 2a₀×2a₀ 전하 밀도파 및 4a₀ 스트립 순서가 명확히 확인되었음에도 불구하고, 스핀 차이 신호 또는 자화 모멘트의 흔적은 관측되지 않았으며, 이는 나선형 루프 전류에서 기인할 수 있는 임의의 자화 모멘트에 대해 <0.2 μB 이하의 상한선을 제시한다.

ABSTRACT

Compounds with kagome lattice usually host many exotic quantum states, including the quantum spin liquid, non-trivial topological Dirac bands and a strongly renormalized flat band, etc. Recently an interesting vanadium based kagome family $A$V$_{3}$Sb$_{5}$ ($A$ = K, Rb, or Cs) was discovered, and these materials exhibit multiple interesting properties, including unconventional saddle-point driving charge density wave (CDW) state, superconductivity, etc. Furthermore, some experiments show anomalous Hall effect which inspires that there might be some chiral flux current states. Here we report scanning tunneling measurements by using spin-polarized tips. Although we have observed clearly the $2a_0 imes2a_0$ CDW and $4a_0$ stripe orders, the well-designed experiments with refined spin-polarized tips do not reveal any trace of the chiral flux current phase in CsV$_3$Sb$_5$ within the limits of experimental accuracy. No observation of the local magnetic moment in our experiments may put an upper bound constraint on the magnitude of magnetic moments induced by the possible chiral loop current which has a time-reversal symmetry breaking along $c$-axis in CsV$_{3}$Sb$_{5}$.

연구 동기 및 목표

• 스핀 편향성 탐침 현미경(SP-STM)을 사용하여 카그롬 금속 CsV₃Sb₅에서 나선형 플럭스 전류 순서의 존재를 직접 탐구하기.
• 비정상적 홀 효과로부터 유도된 c축 방향의 시간역행 대칭 위반은 나선형 궤도 전류에서 기인한다는 가설을 검증하기.
• 관측된 비정상적 홀 효과가 局부 자화 모멘트를 가진 나선형 전하 순서 상과 관련이 있는지 확인하기.
• 가능한 나선형 루프 전류에 의해 유도된 자화 모멘트의 크기에 상한선을 설정하기.
• AV₃Sb₅ 계열 물질에서의 나선형 전하 순서 및 자기장 조절 가능성에 대한 모순된 보고를 해결하기.

제안 방법

• 국소 자화 모멘트를 탐지하기 위해 스핀 편향성 Cr 탐침을 사용한 탐침 현미경 및 스펙트로스코피(SP-STM/STS)를 적용하였다.
• CsV₃Sb₅ 표면에서 공간적으로 해상도를 높인 측정을 수행하여, 탐침 편향성이 있는 경우와 없는 경우의 터널링 스펙트럼을 비교하였다.
• 터널링 스펙트럼의 푸리에 변환 분석을 통해 CDW 순서 패tern에서 자화 이방성 또는 스핀 텍스처를 탐지하였다.
• 자기장 강도(최대 4 T)와 방향을 변화시켜 나선형 전하 순서의 자기장 조절 가능성을 시험하였다.
• 배경 노이즈를 최소화하고 약한 자화 신호에 대한 민감도를 향상시키기 위해 개선된 실험 설계를 사용하였다.
• 가장 최근의 이론 예측(나선형 루프 전류가 ~0.2 μB 이하의 국소 자화 모멘트를 생성함)과 결과를 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CsV₃Sb₅의 나선형 플럭스 전류 상은 스핀 편향성 터널링을 통해 검출 가능한 국소 자화 모멘트를 유도하는가?
• RQ2 나선형 전류로 인한 시간역행 대칭 위반을 나타내는 측정 가능한 스핀 차이 신호가 터널링 스펙트럼에 존재하는가?
• RQ3 다양한 자기장 및 탐침 편향 조건에서 2a₀×2a₀ 전하 밀도파 순서 패턴이 스핀 텍스처 또는 자화 이방성을 보이는가?
• RQ4 실험 감도를 고려할 때, 만약 존재한다면 SP-STM이 나선형 루프 전류의 자화 서명을 해상도를 높여 해석할 수 있는가?
• RQ5 CsV₃Sb₅에서 나선형 루프 전류에 의해 유도된 자화 모멘트의 크기에 대해 상한선은 무엇인가?

주요 결과

• SP-STM 데이터에서 명확한 2a₀×2a₀ 전하 밀도파 및 4a₀ 스트립 순서 패턴이 관측되어 CDW 상태의 존재를 확인하였다.
• 위상 스핀 편향성 탐침과 아래 스핀 편향성 탐침 간에 스핀 차이 신호가 관측되지 않아, 실험 해상도에서 측정 가능한 국소 자화 모멘트가 없음을 시사하였다.
• 다양한 자기장 및 탐침 편향 조건에서 푸리에 변환된 스펙트럼의 강도 조절이 없음을 통해, 나선형 전하 순서와 관련된 스핀 텍스처는 존재하지 않음을 배제하였다.
• 실험 감도를 바탕으로, 나선형 루프 전류에서 기인할 수 있는 자화 모멘트에 대해 <0.2 μB 이하의 상한선이 설정되었다.
• 최대 4 T까지의 자기장 범위에서 2a₀×2a₀ CDW 패턴에서 자기장 조절 가능한 나선형 전하 순서의 증거는 발견되지 않았다.
• 최근의 μSR 측정 결과와 일치하며, CDW 전이 이하에서 스핀 리듬률이 약간 증가하는 것으로 나타났지만, 장거리 자화 순서 또는 나선형 전류 상의 명확한 신호는 관측되지 않았다.