[论文解读] Correlated order at the tipping point in the kagome metal CsV$_3$Sb$_5$

Chunyu Guo, Glenn Wagner+11 more|arXiv (Cornell University)|Apr 3, 2023

Topological Materials and Phenomena参考文献 5被引用 5

一句话总结

本研究表明，本征的CsV₃Sb₅表现出无内在面内输运各向异性，但在弱磁场或应变作用下会因涡旋序与键序共存而发展出强面内各向异性。关键发现是该材料处于时间反演对称性破缺环流相的临界点附近，通过表明表观对称性破缺源于微扰而非本征序，从而调和了相互矛盾的实验报告。

ABSTRACT

Spontaneously broken symmetries are at the heart of many phenomena of quantum matter and physics more generally. However, determining the exact symmetries broken can be challenging due to imperfections such as strain, in particular when multiple electronic orders form complex interactions. This is exemplified by charge order in some kagome systems, which are speculated to show nematicity and flux order from orbital currents. We fabricated highly symmetric samples of a member of this family, CsV$_3$Sb$_5$, and measured their transport properties. We find the absence of measurable anisotropy at any temperature in the unperturbed material, however, a striking in-plane transport anisotropy appears when either weak magnetic fields or strains are present. A symmetry analysis indicates that a perpendicular magnetic field can indeed lead to in-plane anisotropy by inducing a flux order coexisting with more conventional bond order. Our results provide a unifying picture for the controversial charge order in kagome metals and highlight the need for microscopic materials control in the identification of broken symmetries.

研究动机与目标

• 解决长期以来关于kagome金属CsV₃Sb₅中时间反演对称性破缺与向列序的争议。
• 研究弱微扰（如磁场和应变）如何在具有高度简并、关联电子序的材料中诱导表观对称性破缺。
• 确立先前实验中观测到的输运各向异性并非本征性质，而是源于外部微扰。
• 通过表明该体系临界接近环流相，统一相互矛盾的实验结果，且仅在外部调控下诱导出涡旋序。
• 证明对应变和磁场的显微控制对于识别关联量子材料中真实对称性破缺至关重要。

提出的方法

• 制备高度对称、近乎无应变的CsV₃Sb₅单晶，以最小化外部微扰。
• 在零场及高达2 T的外加磁场下测量面内电输运，以探测对称性破缺。
• 采用吉古拉-朗道（GL）理论建模键序（Δ）与涡旋序（Δ′）之间的耦合，包括其温度与磁场依赖性。
• 通过群论分析表明，垂直磁场可通过与环流序参数耦合诱导面内各向异性。
• 将实验数据与GL理论预测进行比较，验证系统处于时间反演对称性破缺相临界接近的场景。
• 系统性地改变温度与磁场，绘制相图并识别出两个不同的转变温度：T_CDW与T′（磁场诱导各向异性）

实验结果

研究问题

• RQ1 为何CsV₃Sb₅的实验报告在时间反演对称性破缺与向列序方面存在相互矛盾的证据？
• RQ2 弱磁场与应变在名义上各向同性的材料中诱导表观面内输运各向异性的角色是什么？
• RQ3 所观测到的各向异性是否源于电荷序态的本征性质，还是由外部微扰引起？
• RQ4 键序与涡旋序的共存如何解释磁场与应变依赖的输运响应？
• RQ5 在输运测量中观测到的两个不同温度标度T_CDW与T′的物理起源是什么？

主要发现

• 本征CsV₃Sb₅在任何温度下均无可观测的面内输运各向异性，表明六重旋转对称性得以保持。
• 在弱磁场（甚至低至0.1 T）和施加应变下，立即出现显著的面内输运各向异性，且各向异性随磁场增至2 T而增强。
• 该各向异性由涡旋序参数（Δ′）的出现所驱动，其与键序（Δ）耦合，仅当Δ′非零时才出现时间反演对称性破缺。
• 该体系临界接近时间反演对称性破缺相，涡旋序仅在磁场或应变微扰下才发生凝聚。
• 磁场下各向异性的温度依赖性与吉古拉-朗道理论预测一致，证实了序参量之间耦合的作用。
• 升高温度使系统趋向各向同性态，与GL相图一致，证实其临界接近环流相。