[논문 리뷰] Time-reversal symmetry breaking in charge density wave of CsV$_3$Sb$_5$ detected by polar Kerr effect

Yajian Hu, Soichiro Yamane외 11명|arXiv (Cornell University)|2022. 08. 17.

Topological Materials and Phenomena인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 초고감도 극성 케르 효과 측정을 통해 1μrad 이하의 해상도를 확보하여 CsV₃Sb₅의 전하 밀도파(CDW) 상태에서 자발적인 시간역행 대칭성 위반(TRSB)을 탐지한다. 주요 발견은 T_CDW = 94 K 이하에서 외부 자기장이 없는 조건에서도 비영인 케르 각도가 관측되었으며, CDW 전이에서 자기장에 의해 스위칭 가능한 케르 각도의 점프가 발생하여, 나비에-스토퍼스 구조와 비정상적인 밴드 위상과 연관된 편향된 루프 전류 순서와 자기-편향 상호작용을 직접적으로 입증한다.

ABSTRACT

The Kagome lattice exhibits rich quantum phenomena owing to its unique geometric properties. Appealing realizations are the Kagome metals AV$_3$Sb$_5$ (A = K, Rb, Cs), where unconventional charge density wave (CDW) is intertwined with superconductivity and non-trivial band topology. Several experiments suggest that this CDW is a rare occurrence of chiral CDW characterized by orbital loop current. However, key evidences of loop current, spontaneous time-reversal symmetry-breaking (TRSB) and the coupling of its order parameter with the magnetic field remain elusive. Here, we investigate the CDW in CsV3Sb5 by magneto-optic polar Kerr effect with sub-microradian resolution. Under magnetic field, we observed a jump of the Kerr angle at the CDW transition. This jump is magnetic-field switchable and scales with field, indicating magneto--chirality coupling related to non-trivial band topology. At zero field, we found non-zero and field-trainable Kerr angle below CDW transition temperature, signaling spontaneous TRSB. Our results provide a crucial step to unveil quantum phenomena in correlated Kagome materials.

연구 동기 및 목표

• CsV₃Sb₅의 전하 밀도파(CDW) 상태에서 자발적인 시간역행 대칭성 위반(TRSB)을 탐지하기 위해.
• A V₃Sb₅에서의 비정상적인 CDW가 편향된 루프 전류에 의해 유도되는지 아니면 실제 전하 순서에 의해 유도되는지 오랫동안 빛나는 논쟁을 해결하기 위해.
• 외부 자기장과 CDW 순서 매개변수 사이의 상호작용, 특히 자기-편향 반응을 탐구하기 위해.
• 고해상도 자기광학 케르 효과를 비정상적인 대칭성 위반을 탐지하는 민감한 수단으로 정립하기 위해.

제안 방법

• 1550 nm의 넓은 대역폭 빛과 110 nm의 대역폭을 갖는 0루프 산락 간섭계를 사용하여 극성 케르 각도(θ_K) 측정에서 1μrad 이하의 해상도를 확보하였다.
• c축에 자기장을 가한 저온(최저 1.9 K) 및 고자기장(최대 11 T) 측정을 수행하였다.
• 광섬유 기반 장치와 전기광학 모듈레이터를 사용하여 반사된 빛의 위상에 π 이동을 유도함으로써 배경이 없는 케르 각도 회전 측정을 실현하였다.
• 자기장을 적용하여 TRSB 도메인을 정렬한 후, 자기장을 제거한 상태에서의 측정을 통해 잔류 TRSB를 평가하기 위해 자기장 트레이닝 실험을 수행하였다.
• CDW 전이점 약 94 K에서의 영자기장 및 유한자기장 조건에서 θ_K를 고정밀도로 측정하였다.
• SQUID 자화도 및 라우 에어드 프로브를 통한 보조 데이터를 활용하여 케르 반응과 구조적, 전자적 성질 간의 상관관계를 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CsV₃Sb₅의 전하 밀도파(CDW) 상태에서 T_CDW 이하에서 시간역행 대칭성 위반(TRSB)이 자발적으로 발생하는가?
• RQ2 관측된 TRSB가 외부 자기장과 결합되어 있으며, 이는 비정상적인 밴드 위상과 연관된 자기-편향 효과를 나타내는가?
• RQ3 극성 케르 효과는 CDW 상에서 편향된 루프 전류 순서를 탐지할 수 있는가, 이는 실제 전하 순서 또는 구조적 편향성과의 차이를 명확히 하는가?
• RQ4 자기장이 CsV₃Sb₅의 CDW 상태에서 TRSB 도메인을 정렬하고 트레이닝하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 60 K와 80 K 근처에서 케르 반응에 나타나는 비정상성으로부터, CsV₃Sb₅에 여러 경쟁적 CDW 상이 존재하는가?

주요 결과

• 영자기장 조건에서 T_CDW = 94 K 이하에서 비영인 극성 케르 각도(θ_K)가 관측되어, CDW 상태에서 자발적인 시간역행 대칭성 위반의 직접적 증거를 제공한다.
• CDW 전이에서 케르 각도가 자기장에 의해 스위칭 가능한 점프를 보였으며, 점프의 크기(Δθ_K)는 외부 자기장에 비례하고 자기장 반전 시 부호가 반전되었다.
• 관측된 Δθ_K의 자기-편향 상호작용은 CDW 순서 매개변수와 외부 자기장 간의 강한 상호작용을 나타내며, 비정상적인 밴드 위상과 일치한다.
• 자기장 트레이닝 실험을 통해 중간 정도의 자기장이 TRSB 도메인을 정렬할 수 있었고, 자기장을 제거한 후에도 지속적인 비영인 케르 신호가 관측되어, 메타안정적인 편향된 도메인의 존재를 확인하였다.
• CDW 상태 내에서 다중 전이 전이가 명백하게 관측되지는 않았지만, 60 K와 80 K 근처에서 기울기 또는 강도의 미세한 변화는 잠재적인 경쟁 상 존재를 시사한다.
• 결과는 실제 전하 순서 또는 구조적 편향성만으로는 설명되지 않으며, CsV₃Sb₅의 CDW 상태에서 TRSB의 기원으로서 편향된 루프 전류 순서 시나리오를 강력히 지지한다.