[논문 리뷰] Three-state nematicity and magneto-optical Kerr effect in the charge density waves in kagome superconductors

Yishuai Xu, Zhuoliang Ni외 7명|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 21.

Topological Materials and Phenomena인용 수 15

한 줄 요약

이 연구는 스캐닝 비편광 현미경과 자화율 광학 케르 효과를 통해 카그롬 초전도체 AV₃Sb₅에서 삼상 비대칭성과 시간역행 대칭성 위반을 규명하였으며, 전하 밀도파(CDW) 전이 온도에서 6중 회전 대칭성과 시간역행 대칭성이 동시에 위반됨을 입증하였다. 결과는 층 간 위상 이격이 π인 정렬된 CDW 순서 모델을 지지하며, 루프 전류에 대한 직접적인 증거를 제공하고, 이러한 상호작용하는 양자 물질에서 대칭성 위반에 대한 오랫동안 지속된 논란을 해결한다.

ABSTRACT

The kagome lattice provides a fascinating playground to study geometrical frustration, topology and strong correlations. The newly-discovered kagome metals AV$_3$Sb$_5$ (where A can refer to K, Rb, or Cs) exhibit phenomena including topological band structure, symmetry-breaking charge-density waves and superconductivity. Nevertheless, the nature of the symmetry breaking in the charge-density wave phase is not yet clear, despite the fact that it is crucial in order to understand whether the superconductivity is unconventional. In this work, we perform scanning birefringence microscopy on all three members of this family and find that six-fold rotation symmetry is broken at the onset of the charge-density wave transition in all these compounds. We show that the three nematic domains are oriented at 120$^\circ$ to each other and propose that staggered charge-density wave orders with a relative $π$ phase shift between layers is a possibility that can explain these observations. We also perform magneto-optical Kerr effect and circular dichroism measurements. The onset of both signals is at the transition temperature, indicating broken time-reversal symmetry and the existence of the long-sought loop currents in that phase.

연구 동기 및 목표

• 카그롬 초전도체 AV₃Sb₅에서 전하 밀도파(CDW) 순서가 6중 회전 대칭성을 위반하는지 여부와 그 위반 온도를 규명하는 것.
• 시간역행 대칭성(TRS) 위반의 시작 온도를 특정하고, CDW 전이와의 관계를 규명하는 것.
• 마이크론 스케일 영상 기술을 사용하여 AV₃Sb₅에서 루프 전류에 대한 직접적인 실험적 증거를 제공하는 것.
• 세 개의 비대칭 영역이 120°로 배열된 현상으로부터 CDW 순서의 이론 모델을 제약하는 것.
• macroscopic, 나노스케일, 및 자장 없는 측정 간의 모순을 해소하고 시간역행 대칭성 위반 순서 매개변수의 본질을 명확히 하는 것.

제안 방법

• 입사 광선의 입사각 변화에 따른 편광 변화를 측정하여 회전 대칭성 위반을 탐지하기 위해 스캐닝 비편광 현미경을 사용하였다.
• 시간역행 대칭성 위반과 자기 dipole 및 베리 곡률 기여를 추출하기 위해 자화율 광학 케르 효과(MOKE) 및 원형 분광법(CD)을 측정하였다.
• 이론 모델을 개발하여 케르 효과와 비편광 기여를 분리하였으며, 후자의 기여는 10⁻⁶ 수준에서 무시할 만큼 작다는 것이 입증되었다.
• 배경 노이즈로부터 CD 및 케르 신호를 분리하기 위해 기본 및 고조파 주파수에서 락인 검출을 사용한 실험 설정을 구축하였다.
• CD 효과의 이론적 분석에서 신호가 전기 dipole(시간역행 대칭성에 대해 홀함수) 및 혼합 전기-자기 dipole 항(거울/역행 대칭성에 대해 홀함수)에 기인함을 밝혀내어 시간역행 대칭성 위반의 탐지 가능성을 확보하였다.
• 층 간 위상 이격이 π인 CDW 순서 모델을 이론적으로 구축하여 관측된 삼상 비대칭성과 대칭성 감소를 설명하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 AV₃Sb₅에서 전하 밀도파 전이가 6중 회전 대칭성을 위반하는가? 그 위반 온도는 얼마인가?
• RQ2 CDW 전이에서 시간역행 대칭성이 위반되는가? 만약 그렇다면, 이 위반은 CDW 순서 형성과 직접적인 관련이 있는가?
• RQ3 위반된 대칭성의 성격은 이중 대칭성인지 삼상 비대칭성인지이며, 이는 층 간 CDW 위상 일치와 어떻게 관련되는가?
• RQ4 관측된 자화율 광학 케르 효과 및 원형 분광법 신호는 루프 전류 또는 기타 시간역행 대칭성 위반 순서 매개변수에 기인한 것인가?
• RQ5 CDW 순서의 층 간 위상 이격은 전체 결정 구조의 대칭성과 전자적 반응에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 모든 세 가지 AV₃Sb₅ 화합물(A = K, Rb, Cs)에서 CDW 전이 온도에서 6중 회전 대칭성이 위반되며, 120° 간격으로 배열된 세 개의 비대칭 영역이 관찰된다.
• 자화율 광학 케르 효과 및 원형 분광법 신호의 시작 시점이 정확히 CDW 전이 온도와 일치하여, 이 온도에서 시간역행 대칭성이 위반됨을 확인한다.
• 원형 분광법 신호에 대한 비편광 보정은 약 10⁻⁶ 수준로 추정되며, 측정된 CD 신호에 비해 무시할 만큼 작다는 것을 확인한다.
• 관측된 삼상 비대칭성은 인접 층 간 위상 이격이 π인 정렬된 CDW 순서 모델로 설명되며, 이로 인해 6중 대칭성에서 3중 대칭성으로 감소한다.
• 결과는 카그롬 초전도체에서 루프 전류에 대한 직접적인 실험적 증거를 제공하며, 이 분야에서 오랫동안 지속된 질문을 해결한다.
• 마이크론 스케일 스캐닝 비편광 현미경은 나노스케일 STM와 매크로스코픽 측정 간 격차를 메우며, 이론 모델에 대한 새로운 제약 조건을 제공한다.