[논문 리뷰] High Resolution Polar Kerr Effect Studies of CsV${}_3$Sb${}_5$: Tests for Time Reversal Symmetry Breaking Below the Charge Order Transition

David R. Saykin, Camron Farhang외 9명|arXiv (Cornell University)|2022. 09. 21.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 14

한 줄 요약

이 연구는 1550 nm에서 초안정적인 샹고 간섭계를 사용한 고해상도 극성 케러 효과 측정을 통해 CsV₃Sb₅에서 전하 순서 전이 온도 T* ≈ 94 K 이하에서 시간 역행 대칭 위반(TRSB)을 검증한다. 30 nrad 이하까지 감지 가능한 케러 각도 변화가 관측되지 않아, 전하 순서 상태에서 TRSB에 대한 증거가 없음을 시사한다. 이는 관련 물질에서 이전에 보고된 비정상적 홀 효과 및 케러 신호와는 정반대되는 결과이다.

ABSTRACT

We report high resolution polar Kerr effect measurements on CsV${}_3$Sb${}_5$ single crystals in search for signatures of spontaneous time reversal symmetry breaking below the charge order transition at $T^* \approx 94$ K. Utilizing two different versions of zero-area loop Sagnac interferometers operating at 1550 nm wavelength, each with the fundamental attribute that without a time reversal symmetry breaking sample at its path, the interferometer is perfectly reciprocal, we find no observable Kerr effect to within the noise floor limit of the apparatus at 30 nanoradians. Simultaneous coherent reflection ratio measurements confirm the sharpness of the charge order transition in the same optical volume as the Kerr measurements. At finite magnetic field we observe a sharp onset of a diamagnetic shift in the Kerr signal at $T^*$, which persists down to the lowest temperature without change in trend. Since 1550 nm is an energy that was shown to capture all features of the optical properties of the material that interact with the charge order transition, we are led to conclude that it is highly unlikely that time reversal symmetry is broken in the charge ordered state in CsV${}_3$Sb${}_5$.

연구 동기 및 목표

• CsV₃Sb₅의 전하 순서 상태에서 자발적인 시간 역행 대칭 위반(TRSB)을 T* ≈ 94 K 이하에서 검증하기.
• AV₃Sb₅ 물질에서의 서로 모순되는 TRSB 보고를 해결하기 위해, 비정상적 홀 효과 및 케러 신호를 분석하기.
• 초안정적인 샹고 간섭계를 사용하여 1550 nm에서 서브-나노라디안 감도를 확보한 극성 케러 효과 측정을 수행하기.
• 외부 광학 장치와 정밀 校정을 통해 열적 및 기기적 배경 오프셋을 제거하기.
• 운반성 및 자기 측정과의 연관성을 통해 TRSB와 다른 질서 매개변수를 분리하기.

제안 방법

• TRSB가 존재하지 않을 경우 임의의 거짓 케러 신호가 발생하지 않도록, 상호성 원리를 갖춘 두 개의 영역이 0인 샹고 간섭계를 1550 nm에서 사용하였다.
• 섬유 광학 헤드와 간섭계를 냉각기 외부에 설치하여 열적 이완 및 광학 창의 배경 오프셋을 방지하였다.
• 실온에서 다듬어진 알루미늄 거울을 사용하여 기기 오프셋을 校정하였으며, 전자적 및 정렬 오프셋 1.6 μrad와 광학 창의 112 B μrad의 패러데이 효과를 분리하였다.
• 영자기장 및 유한자기장 조건에서 온도 의존 케러 측정을 수행하였으며, 동시에 반사율 측정을 통해 전하 순서 전이의 날카운 성질을 확인하였다.
• 고감도 검출을 통해 노이즈 수준을 30 nrad로 확보하여, TRSB를 나타내는 작은 케러 각도 변화를 감지할 수 있도록 하였다.
• 케러 데이터를 직류 전기 저항도 및 자기 순화도 측정과 연관시켜 구조적, 전하, 대칭 위반 전이를 구분하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CsV₃Sb₅의 전하 순서 상태에서 T* ≈ 94 K 이하에서 감지 가능한 자발적인 시간 역행 대칭 위반이 존재하는가?
• RQ2 AV₃Sb₅ 물질에서 이전에 보고된 비정상적 홀 효과 및 케러 신호가 TRSB에서 기인하는가, 아니면 다른 질서 매개변수에서 기인하는가?
• RQ3 1550 nm에서 초고해상도 극성 케러 측정을 통해 관련 카그롬 물질에서 TRSB를 나타내는 서브-나노라디안 신호를 해석할 수 있는가?
• RQ4 기기적 및 열적 배경 영향이 냉각 환경에서 케러 측정에 미치는 영향은 무엇이며, 이를 정확히 빼낼 수 있는가?
• RQ5 유한 자기장 하에서 T*에서 전하 순서 전이가 케러 반응에 대해 반자성 이동을 보이는가? 이는 질서의 성격에 대해 어떤 시사점을 갖는가?

주요 결과

• T* = 94 K 이하에서 측정 가능한 케러 각도 변화가 관측되지 않았으며, 감도가 30 nrad로 제한되어 있어 시간 역행 대칭 위반에 대한 증거가 없음을 시사한다.
• 유한 자기장 하에서 T*에서 날카운 반자성 이동이 케러 신호에서 관측되었으며, 이는 구조적 또는 궤도 전이와 일치하지만 TRSB는 아님을 시사한다.
• 동시에 수행된 반사율 측정을 통해 동일한 광학 체적 내에서 날카운 전하 순서 전이가 확인되었으며, 측정의 온도 해상도가 검증되었다.
• 기기 오프셋이 1.6 μrad(전자적) + 112 B μrad(패러데이 효과)로 校정되었으며, 이 배경이 제거되어 정확한 온도 의존 케러 데이터를 확보하였다.
• T_A ≈ 37 K에서 케러 신호가 감지되지 않았으며, 전기 저항도에서의 고리형 변화와 이전의 전자적 자성 이방성 보고와는 정반대되는 결과를 보였다. 이는 이 온도에서 TRSB가 없음을 시사한다.
• TRSB의 부재는 여러 샘플과 측정 조건에서 견고하게 유지되며, 제1차 구조 전이를 보여주는 NMR/NQR 데이터와 일치한다.