[论文解读] 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 Farhang+9 more|arXiv (Cornell University)|Sep 21, 2022

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 14

一句话总结

本研究采用1550 nm波长下超高稳定Sagnac干涉仪的高分辨率极向Kerr效应测量，检测CsV₃Sb₅在电荷序转变温度T* ≈ 94 K以下是否存在时间反演对称性自发破缺（TRSB）。在30 nrad以下未观测到可检测的Kerr旋转，表明在电荷序态中无TRSB的证据，尽管此前在相关材料中报道存在异常霍尔效应和Kerr信号。

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${}_5$.

研究动机与目标

• 测试CsV₃Sb₅在T* ≈ 94 K以下电荷序态中是否存在自发时间反演对称性破缺（TRSB）
• 解决AV₃Sb₅材料中关于TRSB的相互矛盾报告，包括异常霍尔效应和Kerr信号
• 通过超高稳定性Sagnac干涉仪实现在1550 nm波长下的亚纳米弧度Kerr效应测量灵敏度
• 通过外部光学元件和精确标定消除热效应和仪器背景偏移
• 将光学Kerr响应与输运和磁性测量相关联，以区分TRSB与其他序参数

提出的方法

• 采用两个零面积回路Sagnac干涉仪，在1550 nm波长下工作，利用其固有的互易性，确保在无TRSB时不会产生虚假Kerr信号
• 将光纤光学探头和干涉仪置于低温恒温器外部，以避免热漂移及光学窗口引起的背景偏移
• 使用室温下的抛光铝镜对仪器偏移进行标定，将1.6 μrad的电子和对准偏移与光学窗口的112 B μrad法拉第效应分离
• 在零场和有限磁场下进行温度依赖的Kerr测量，同时测量反射率比以确认电荷序转变的陡峭性
• 采用高灵敏度探测技术，实现30 nrad的噪声底限，从而能够探测任何微小Kerr旋转所指示的TRSB
• 将Kerr数据与直流电阻率和磁化率测量结果相关联，以区分结构相变、电荷序和对称性破缺相变

实验结果

研究问题

• RQ1 在T* ≈ 94 K以下，CsV₃Sb₅的电荷序态中是否存在可检测的自发时间反演对称性破缺？
• RQ2 AV₃Sb₅材料中先前报道的异常霍尔效应和Kerr信号是否源于TRSB，或源于其他序参数？
• RQ3 在1550 nm波长下，超高分辨率极向Kerr测量能否分辨关联kagome材料中TRSB的亚纳米弧度信号？
• RQ4 仪器和热背景效应如何影响低温环境下的Kerr测量？能否实现精确扣除？
• RQ5 在有限磁场下，T*处的电荷序转变是否表现出Kerr响应的抗磁位移？这对其序的性质有何含义？

主要发现

• 在T* = 94 K以下未观测到可测量的Kerr旋转，灵敏度限制在30 nrad，表明无TRSB的证据
• 在有限磁场下T*处观测到Kerr信号的明显抗磁位移，与结构或轨道相变一致，但与TRSB无关
• 同步反射率比测量证实了在相同光学体积内电荷序转变的陡峭性，验证了测量的温度分辨率
• 仪器偏移已标定至1.6 μrad（电子）+ 112 B μrad（法拉第效应），并通过扣除背景获得准确的温度依赖Kerr数据
• 在T_A ≈ 37 K处未检测到Kerr信号，尽管电阻率出现拐点，且此前报道存在电子磁致各向异性，表明该温度下无TRSB
• TRSB的缺失在多个样品和测量条件下均成立，且与NMR/NQR数据一致，后者显示一阶结构相变伴随次级电荷序