[论文解读] Evidence for an odd-parity nematic phase above the charge density wave transition in kagome metal CsV$_3$Sb$_5$

Tomoya Asaba, Asato Onishi+17 more|arXiv (Cornell University)|Sep 29, 2023

Quantum, superfluid, helium dynamics被引用 5

一句话总结

本研究通过高灵敏度扭矩和弹光阻抗测量，在电荷密度波（CDW）转变温度（T_CDW = 94 K）以上，为凯库梅金属CsV₃Sb₅中存在奇宇称向列相提供了热力学证据。利用高灵敏度扭矩和弹光阻抗测量，发现在T* ≈ 130 K以下存在明显的二重对称性平面磁各向异性，且无弹光阻抗异常，表明为奇宇称向列序而非偶宇称轨道向列性。在锥形磁场下观察到的一级相变证实了时间反演对称性破缺，指向CDW转变前的环流态。

ABSTRACT

The quest for fascinating quantum states arising from the interplay between correlation, frustration, and topology is at the forefront of condensed-matter physics. Recently discovered nonmagnetic kagome metals $A$V${_3}$Sb${_5}$ ($A=$ K, Cs, Rb) with charge density wave (CDW) and superconducting instabilities may host such exotic states. Here we report that an odd electronic nematic state emerges above the CDW transition temperature ($T_{ m CDW}=94$ K) in CsV${_3}$Sb${_5}$. High-resolution torque measurements reveal a distinct twofold in-plane magnetic anisotropy that breaks the crystal rotational symmetry below $T^*\approx130$ K. However, no relevant anomalies are detected in the elastoresistance data near $T^*$, which excludes the even-parity ferro-orbital nematicity often found in other superconductors. Moreover, in the temperature range between $T_{ m CDW}$ and $T^*$, conical rotations of magnetic field yield a distinct first-order phase transition, indicative of time-reversal symmetry breaking. These results provide thermodynamic evidence for the emergence of an odd-parity nematic order, implying that an exotic loop-current state precedes the CDW in CsV$_3$Sb$_5$.

研究动机与目标

• 通过热力学探针识别CsV₃Sb₅中CDW转变以上电子向列序的本质。
• 在无CDW序的情况下，区分偶宇称（铁轨道）与奇宇称（环流）向列态。
• 确定时间反演对称性破缺的起始温度及其与向列序和CDW形成的关系。
• 通过体热力学测量解决A V₃Sb₅中关于向列序和TRSB起始温度的相互矛盾报告。
• 确立CsV₃Sb₅作为研究涉及奇宇称向列序和环流的奇异对称性破缺相的平台。

提出的方法

• 使用压阻式微悬臂技术进行高分辨率平面内磁扭矩测量，通过旋转对称性破缺检测向列相变。
• 应用锥形磁场探测时间反演对称性破缺，识别一级相变，表明存在TRSB。
• 通过单轴应变同步测量弹光阻抗，检测偶宇称向列响应，使用压电堆栈和应变计标定。
• 使用京都大学和加州大学圣塔芭芭拉分校生长的单晶，采用非磁性坩埚以排除磁杂质。
• 测量扭矩公式为 τ = (a t² / 2π_L) × (ΔR / R_s)，其中a和t为悬臂尺寸，π_L为压阻系数，ΔR/R_s为电桥响应。
• 通过压电促动器控制平面内应变ε_xx和ε_yy，利用泊松比推断正交应变。

实验结果

研究问题

• RQ1 在CsV₃Sb₅中，CDW转变以上是否出现电子向列相，其宇称为何？
• RQ2 所观测到的向列序是偶宇称（铁轨道）还是奇宇称（环流型）？
• RQ3 向列序起始温度（T*）与CDW转变温度（T_CDW = 94 K）之间有何关系？
• RQ4 时间反演对称性破缺是否在T_CDW以上发生，且是否与向列相变相关？
• RQ5 热力学体探测能否解决A V₃Sb₅中长期存在的关于向列序和TRSB起始温度的争议？

主要发现

• 在T* ≈ 130 K以下出现明显的二重对称性平面磁各向异性，表明向列序在T_CDW = 94 K以上开始出现。
• 在T*附近无弹光阻抗异常，排除了偶宇称铁轨道向列序的可能性，支持奇宇称向列态的存在。
• 锥形磁场扫查揭示一级相变，为T_CDW以上时间反演对称性破缺提供了直接证据。
• 奇宇称向列序与TRSB在T_CDW以上共存，表明在CDW形成之前已出现手性环流态。
• 结果确立CsV₃Sb₅为奇异的、预CDW奇宇称向列相的宿主，与常规偶宇称向列态截然不同。
• 研究结果通过热力学体探测解决了相互矛盾的报告，证明向列序和TRSB的起始温度在T_CDW以上，而非在T_CDW处。