[论文解读] 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. Wang+9 more|arXiv (Cornell University)|Oct 21, 2021

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 9

一句话总结

本研究利用超快光学偏振旋转测量，揭示了凯戈梅超导体CsV₃Sb₅在电荷密度波（CDW）态中，其CDW转变温度（TCDW ≈ 94 K）以下立即出现的两重旋转对称性破缺。观测到的偏振旋转（峰值约1 mrad，具有两重对称性）为向列序提供了直接光学证据，并可能表明时间反演对称性破缺（TRSB），而相干声子振荡调制了各向异性，表明晶格动力学与CDW序之间存在强耦合。

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$_5$.

研究动机与目标

• 研究凯戈梅超导体CsV₃Sb₅的电荷密度波（CDW）态中旋转对称性破缺的出现机制。
• 确定观测到的光学偏振旋转是由时间反演对称性破缺（TRSB）还是由层间堆叠各向异性引起的双折射所致。
• 探讨相干晶格声子在调制平面内各向异性和偏振响应中的作用。
• 解决在μSR测量中观察到的TRSB信号（低于70 K）与在TCDW ≈ 94 K时对称性破缺的早期出现之间的矛盾。
• 澄清在多种探测手段中观测到的约60 K处异常的起源，将其与体相两重对称性破缺区分开来。

提出的方法

• 使用飞秒激光脉冲对单晶CsV₃Sb₅进行超快泵浦-探测光学偏振旋转测量。
• 测量反射激光束偏振态旋转角随入射角（α）和激发后延迟时间的变化。
• 通过分析偏振旋转的角依赖性，提取两重旋转对称性分量。
• 利用相干声子振荡探测晶格动力学及其对各向异性光学响应的调制。
• 将时间分辨信号与包含TRSB（类似Kerr效应）和双折射贡献的模型进行比较，以解释偏振旋转。
• 评估相干声子的相位和振幅，以建立晶格畸变与CDW强度及各向异性变化之间的联系。

实验结果

研究问题

• RQ1 CsV₃Sb₅的电荷密度波（CDW）转变是否立即触发两重旋转对称性破缺的形成？
• RQ2 观测到的光学偏振旋转是由时间反演对称性破缺（TRSB）引起，还是由各向异性层间堆叠引起的双折射所致？
• RQ3 相干A₁g声子如何影响平面内各向异性和偏振旋转信号？
• RQ4 在反射率和泵浦-探测测量中观测到的约60 K处异常的起源是什么？
• RQ5 为何μSR测量中TRSB信号仅在70 K以下出现，而对称性破缺却在TCDW ≈ 94 K时即可检测到？

主要发现

• 在TCDW ≈ 94 K以下，两重旋转对称性破缺（偏振旋转约1 mrad）立即出现。
• 偏振旋转表现出明显的两重对称性，表明CDW相中形成了向列电子态。
• 超快泵浦脉冲瞬时抑制了与CDW相关的偏振旋转，其在数皮秒内恢复。
• 相干A₁g声子振荡调制了偏振旋转的各向异性分量，导致振荡中出现180°周期的相位偏移。
• 相干声子振荡的振幅表现出cos(2πα/P - β)依赖性，证实了晶格振动对平面内各向异性的调制。
• 约60 K处的异常与体相两重旋转对称性破缺无关，可能源于反向星形层的取向重排。