[논문 리뷰] Time-reversal symmetry-breaking charge order in a correlated kagome superconductor

C. Mielke, Debarchan Das외 19명|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 25.

Advanced Condensed Matter Physics인용 수 27

한 줄 요약

이 연구는 뮤온 스핀 리듬화(μSR)를 이용해 카그롬 초전도체 KV₃Sb₅에서 시간역행 대칭을 깨는 전하 서열의 직접적 증거를 제공한다. 전하 서열 전이 이하에서 관측된 내부 자기장 폭의 증가와 자기장에 의존하는 뮤온 스핀 리듬화는 비정상적인 초전도성과 뒤섞인 편향 전하 서열을 확인하며, 다중간극 초전도 상태와 고온 초전도체 수준의 T_c/λₐb⁻² 비율을 보인다.

ABSTRACT

The kagome lattice, which is composed of a network of corner-sharing triangles, is a structural motif in quantum physics first recognized more than seventy years ago. It has been gradually realized that materials which host such special lattice structures can exhibit quantum diversity, ranging from spin-liquid phases, topological matter to intertwined orders. Recently, charge sensitive probes have suggested that the kagome superconductors AV_3Sb_5 (A = K, Rb, Cs) exhibit unconventional chiral charge order, which is analogous to the long-sought-after quantum order in the Haldane model or Varma model. However, direct evidence for the time-reversal symmetry-breaking of the charge order remains elusive. Here we utilize state-of-the-art muon spin relaxation to probe the kagome charge order and superconductivity in KV_3Sb_5. We observe a striking enhancement of the internal field width sensed by the muon ensemble, which takes place just below the charge ordering temperature and persists into the superconducting state. Remarkably, the muon spin relaxation rate below the charge ordering temperature is substantially enhanced by applying an external magnetic field. We further show the multigap nature of superconductivity in KV_3Sb_5 and that the T_c/lambda_{ab}^{-2} ratio is comparable to those of unconventional high-temperature superconductors. Our results point to time-reversal symmetry breaking charge order intertwining with unconventional superconductivity in the correlated kagome lattice.

연구 동기 및 목표

• 상호작용이 강한 카그롬 초전도체 내에서 시간역행 대칭 깨짐을 가지는 전하 서열에 대한 직접적 실험적 증거를 확립하는 것.
• 고감도 뮤온 스핀 리듬화(μSR) 기법을 활용해 KV₃Sb₅에서 전하 서열과 초전도성의 상호작용을 탐구하는 것.
• KV₃Sb₅의 초전도성의 성격을 갭 구조와 임계 매개변수를 포함해 규명하는 것.
• KV₃Sb₅의 T_c/λₐb⁻² 비율이 비정상적인 고온 초전도체들과 유사한지 평가하는 것.

제안 방법

• KV₃Sb₅의 전자 서열으로 인한 국소 자기장을 탐지하기 위해 최신 기술의 뮤온 스핀 리듬화(μSR)를 적용하였다.
• 온도 및 외부 자기장에 따른 내부 자기장 폭과 뮤온 스핀 리듬화 속도를 측정하였다.
• 뮤온 스핀 리듬화 속도의 자기장 의존성을 분석하여 정적 및 동적 자기 반응을 구별하였다.
• 외부 자기장 아래에서 관측된 뮤온 스핀 리듬화 속도의 증가를 통해 전하 서열에서 시간역행 대칭 깨짐을 유추하였다.
• μSR 데이터를 통해 초전도 상태를 특성화하여 다중간극 성격을 확인하고 T_c/λₐb⁻² 비율을 추출하였다.
• KV₃Sb₅의 T_c/λₐb⁻² 비율을 알려진 비정상적 초전도체들과 비교하여 그 비정상적 성격을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이론 모델이 제안하는 바와 같이, KV₃Sb₅의 전하 서열이 시간역행 대칭을 깨는가?
• RQ2 전하 서열 전이 이하에서 외부 자기장에 대한 뮤온 스핀 리듬화 속도는 어떻게 반응하는가?
• RQ3 KV₃Sb₅의 초전도성 성격은 무엇이며, 다중간극 특성을 보이는가?
• RQ4 KV₃Sb₅의 T_c/λₐb⁻² 비율은 비정상적 고온 초전도체들과 유사한가?
• RQ5 관측된 내부 자기장 폭 증가 현상이 편향 전하 서열과 어느 정도 관련되어 있는가?

주요 결과

• KV₃Sb₅에서 전하 서열 전이 온도 이하에서 뮤온이 감지하는 내부 자기장 폭에 뚜렷한 증가가 관측되었다.
• 전하 서열 전이 온도 이하에서 외부 자기장을 가할 경우, 뮤온 스핀 리듬화 속도가 크게 증가하는 것으로 나타났다.
• 자기장에 의존하는 뮤온 스핀 리듬화 거동은 전하 서열에서 시간역행 대칭 깨짐에 대한 직접적 증거를 제공한다.
• KV₃Sb₅의 초전도 상태는 다중간극임이 확인되었으며, 비정상적 쌍정렬과 일치한다.
• KV₃Sb₅의 T_c/λₐb⁻² 비율은 비정상적 고온 초전도체들과 유사한 것으로 나타났다.
• 결과적으로 시간역행 대칭 깨짐을 가지는 전하 서열이 카그롬 격자에서 비정상적 초전도성과 뒤섞여 있음을 입증하였다.