[논문 리뷰] Revealing the immediate formation of two-fold rotation symmetry in charge-density-wave state of Kagome superconductor CsV$_3$Sb$_5$ by optical polarization rotation measurement

Qiong Wu, Z. X. Wang외 9명|arXiv (Cornell University)|2021. 10. 21.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 카그롬 초전도체 CsV₃Sb₅의 전하 밀도파(CDW) 상태에서 CDW 전이 온도(TCDW ≈ 94 K) 이하에서 두중성 회전 대칭성 붕괴의 즉각적인 발생을 초고속 광학적 편광 회전 측정을 통해 규명한다. 관측된 편광 회전은 약 ~1 mrad의 피크를 보이며 두중성 대칭성을 띠는데, 이는 비대칭 전자 상태 및 가능성이 있는 시간역행 대칭성 붕괴(TRSB)에 대한 직접적인 광학적 증거를 제공한다. 이와 동시에 공명 격자 진동이 이방성에 영향을 미쳐, 격자 동역학과 CDW 순서 간의 강한 결합을 나타낸다.

ABSTRACT

We report the observation of two-fold rotation symmetry in charge density wave (CDW) state in the newly discovered Kagome superconductor CsV$_3$Sb$_5$. Below its CDW transition temperature ($T_{CDW}$), the polarization rotation of the reflected laser beam promptly emerges and increases close to about 1 mrad, and the rotation angle shows two-fold rotation symmetry. With femtosecond laser pulse pumping, the rotation angle can be easily suppressed and then recovers in several picoseconds accompanied with coherent oscillations. Significantly, the oscillations in the signal also experience a 180 degree periodic change. Our investigation provides clear optical evidence for the formation of nematic order with two-fold rotation symmetry just below $T_{CDW}$. The results imply a immediate development of nematicity and possible time-reversal symmetry breaking in CDW state of CsV$_3$Sb$_5$.

연구 동기 및 목표

• 카그롬 초전도체 CsV₃Sb₅의 전하 밀도파(CDW) 상태에서 회전 대칭성 붕괴의 발생을 조사하기 위해.
• 관측된 광학적 편광 회전이 시간역행 대칭성 붕괴(TRSB)인지, 또는 이중층 배열의 이방성에 기인한 이방성성인지 규명하기 위해.
• TCDW 이하에서 공명 격자 진동이 면내 이방성과 편광 반응에 미치는 영향을 탐구하기 위해.
• μSR에서 관측된 TRSB 신호가 70 K 이하에서 나타나는 데 반해, 대칭성 붕괴가 TCDW ≈ 94 K에서 시작됨을 고려할 때 발생하는 모순을 해결하기 위해.
• 다양한 측정 수단에서 관측된 약 60 K 근처의 이상 현상이 부피적 두중성 대칭성 붕괴와는 다를 바를 명확히 하기 위해.

제안 방법

• 단일 결정 CsV₃Sb₅에 대해 피코초 레이저 펄스를 사용한 초고속 펌프-프로브 광학적 편광 회전 측정을 수행하였다.
• 자기 각도(α) 및 자극 후 경과 시간에 따라 반사된 레이저 빛의 편광 각도를 측정하였다.
• 편광 회전의 각도 의존성을 분석하여 두중성 회전 대칭 성분을 추출하였다.
• 공명 격자 진동을 이용해 격자 동역학과 그 이방성 광학 반응에 대한 조절 효과를 탐구하였다.
• 시간 해상도 신호를 TRSB(Kerr 유사) 및 이방성성 기여를 포함한 모델과 비교하였다.
• 공명 격자 진동의 위상과 진폭을 평가하여 격자 변형이 CDW 강도와 이방성의 변화에 어떻게 기여하는지 연결하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CsV₃Sb₅의 전하 밀도파(CDW) 전이가 두중성 회전 대칭성 붕괴를 즉각적으로 유도하는가?
• RQ2 관측된 광학적 편광 회전은 시간역행 대칭성 붕괴(TRSB) 때문인지, 아니면 이중층 배열의 이방성에 기인한 이방성성 때문인가?
• RQ3 공명 A₁g 진동이 면내 이방성과 편광 회전 신호에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 반사도 및 펌프-프로브 측정에서 관측된 약 60 K 근처의 이상 현상의 기원은 무엇인가?
• RQ5 μSR 측정에서 TRSB 신호가 70 K 이하에서만 나타나는 데 반해, 대칭성 붕괴는 TCDW ≈ 94 K에서 관측되는 이유는 무엇인가?

주요 결과

• TCDW ≈ 94 K 이하에서 두중성 회전 대칭성 붕괴가 약 ~1 mrad의 편광 회전을 동반해 급격히 발생한다.
• 편광 회전은 명백한 두중성 대칭성을 보이며, CDW 상에서 비대칭 전자 상태의 형성을 시사한다.
• 초고속 펌프 펄스는 일시적으로 CDW 관련 편광 회전을 억제하며, 수 피코초 내에 복구된다.
• 공명 A₁g 진동은 편광 회전의 이방성 성분을 조절하여 진동에 180° 주기적 위상 이동을 유도한다.
• 공명 진동의 진폭은 cos(2πα/P - β) 의존성을 보이며, 격자 진동이 면내 이방성에 영향을 미친다는 것을 확인한다.
• 60 K 근처의 이상 현상은 부피적 두중성 회전 대칭성 붕괴와 관련이 없으며, 역별자형-달의 별 구조를 이루는 층의 재정렬과 관련이 있을 수 있다.