[논문 리뷰] Optical Manipulation of the Charge Density Wave state in RbV3Sb5

Yuqing Xing, Seokjin Bae외 9명|arXiv (Cornell University)|2023. 08. 08.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 레이저 결합 스캐닝 턨널링 현미경을 사용하여 RbV3Sb5에서 전하 밀도파(CDW) 상태의 가역적 광학 제어를 입증하며, 시간역행 대칭을 위반하는 상이 존재함을 밝혀낸다. 결과적으로 선형 편광 빛이 CDW 피크 강도를 전환시키며, 강한 전자-격자 결합과 결합 전하 순서 및 고리 전류를 포함하는 새로운 일치 CDW 유량상이 존재함을 시사한다.

ABSTRACT

Broken time-reversal symmetry in the absence of spin order indicates the presence of unusual phases such as orbital magnetism and loop currents. The recently discovered family of kagome superconductors AV$_3$Sb$_5$ (A = K, Rb, or Cs), hosting an exotic charge-density wave (CDW) state, has emerged as a strong candidate for this phase. While initial experiments suggested that the CDW phase breaks time-reversal symmetry, this idea is being intensely debated due to conflicting experimental data. In this work we use laser-coupled scanning tunneling microscopy (STM) to study RbV$_3$Sb$_5$. STM data shows that the Fourier intensities of all three CDW peaks are different, implying that the CDW breaks rotational and mirror symmetries. By applying linearly polarized light along high-symmetry directions, we show that the relative intensities of the CDW peaks can be reversibly switched, implying a substantial electro-striction response, indicative of strong non-linear electron-phonon coupling. A similar CDW intensity switching is observed with perpendicular magnetic fields, which implies an unusual piezo-magnetic response that, in turn, requires time-reversal symmetry-breaking. We show that the simplest CDW that satisfies these constraints and reconciles previous seemingly contradictory experimental data is an out-of-phase combination of bond charge order and loop currents that we dub congruent CDW flux phase. Our laser-STM data opens the door to the possibility of dynamic optical control of complex quantum phenomenon in correlated materials.

연구 동기 및 목표

• RbV3Sb5의 CDW 상태가 시간역행 대칭을 위반하는지에 대한 논란을 해결하기 위해.
• 카고메 초전도체의 CDW 상에서 전자-격자 결합과 대칭성 붕괴의 역할을 조사하기 위해.
• 외부 광장이 CDW 순서 매개변수를 가역적으로 조작할 수 있는지 확인하기 위해.
• AV3Sb5 물질에서 CDW 상태에 대한 상충되는 실험 데이터를 조율하기 위해.
• 관측된 비선형 응답의 미세 구조 기원을 규명하기 위해.

제안 방법

• 광학 자극 하에서 국소 전자 구조를 탐사하기 위해 레이저 결합 스캐닝 터널링 현미경(STM)을 사용하였다.
• 실공간에서 CDW 피크의 푸리에 강도를 측정하여 전하 순서에서의 대칭성 붕괴를 평가하였다.
• 고대칭 결정 방향에 따라 선형 편광 빛을 조사하여 CDW 피크 강도를 조절하였다.
• 수직 자기장으로 피에조자기 반응을 탐지하고 시간역행 대칭 위반을 추론하였다.
• 빛 편광과 자기장에 따른 CDW 피크 상대 강도 변화를 분석하였다.
• 결합 전하 순서와 고리 전류를 포함하는 일치 CDW 유량상 이론 모델을 제안하여 데이터를 설명하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 RbV3Sb5의 CDW 상태가 시간역행 대칭을 위반하는가? 그에 대한 증거는 무엇인가?
• RQ2 원형 또는 선형 편광 빛을 사용하여 CDW 피크의 상대 강도를 가역적으로 제어할 수 있는가?
• RQ3 관측된 비선형 전기-응력 반응의 기원은 무엇인가?
• RQ4 자기장이 CDW 순서에 미치는 영향은 무엇이며, 이는 대칭 보존에 대해 어떤 함의를 갖는가?
• RQ5 상충되는 실험 관측을 조율할 수 있는 CDW 상의 미세 구조는 무엇인가?

주요 결과

• RbV3Sb5의 세 개의 CDW 피크는 서로 다른 푸리에 강도를 보이며, 회전 대칭과 거울 대칭의 붕괴를 확인한다.
• 고대칭 방향에 따라 선형 편광 빛을 조사하면 CDW 피크의 상대 강도가 가역적으로 전환되며, 강한 전기-응력 효과를 시사한다.
• 수직 자기장 하에서도 유사한 전환 효과가 관측되어 이국적인 피에조자기 반응이 드러난다.
• 관측된 반응은 시간역행 대칭 위반을 필요로 하며, CDW 상태에서 고리 전류 존재를 지지한다.
• 이러한 데이터는 결합 전하 순서와 고리 전류를 포함하는 일치 CDW 유량상 모델로 가장 잘 설명되며, 이는 이전의 모순된 결과를 조율한다.
• 결과적으로 이는 상관관계가 강한 카고메 물질에서 복잡한 양자 상태의 동적 광학 제어를 입증한다.