[论文解读] No observation of chiral flux current in the topological kagome metal CsV$_{3}$Sb$_{5}$

Huazhou Li, Wan, Siyuan+8 more|arXiv (Cornell University)|Jul 23, 2021

Topological Materials and Phenomena被引用 5

一句话总结

本研究利用自旋极化扫描隧道显微镜（SP-STM）在拓扑kagome金属CsV₃Sb₅中搜索手性通量电流序，该序态被提出用于解释时间反演对称性破缺和反常霍尔效应。尽管清晰检测到2a₀×2a₀电荷密度波和4a₀条纹序，但未观测到自旋差信号或磁矩特征，表明手性环流电流引起的磁矩上限小于0.2 μB。

ABSTRACT

Compounds with kagome lattice usually host many exotic quantum states, including the quantum spin liquid, non-trivial topological Dirac bands and a strongly renormalized flat band, etc. Recently an interesting vanadium based kagome family $A$V$_{3}$Sb$_{5}$ ($A$ = K, Rb, or Cs) was discovered, and these materials exhibit multiple interesting properties, including unconventional saddle-point driving charge density wave (CDW) state, superconductivity, etc. Furthermore, some experiments show anomalous Hall effect which inspires that there might be some chiral flux current states. Here we report scanning tunneling measurements by using spin-polarized tips. Although we have observed clearly the $2a_0 imes2a_0$ CDW and $4a_0$ stripe orders, the well-designed experiments with refined spin-polarized tips do not reveal any trace of the chiral flux current phase in CsV$_3$Sb$_5$ within the limits of experimental accuracy. No observation of the local magnetic moment in our experiments may put an upper bound constraint on the magnitude of magnetic moments induced by the possible chiral loop current which has a time-reversal symmetry breaking along $c$-axis in CsV$_{3}$Sb$_{5}$.

研究动机与目标

• 使用自旋极化扫描隧道显微镜（SP-STM）直接探测kagome金属CsV₃Sb₅中手性通量电流序的存在。
• 检验时间反演对称性破缺（由反常霍尔效应推断）是否源于手性轨道电流的假设。
• 确定观测到的反常霍尔效应是否与具有局域磁矩的手性电荷序相联系。
• 建立由假想手性环流电流诱导的磁矩大小的上限。
• 解决关于AV₃Sb₅族材料中手性电荷序和磁场可调性的相互矛盾报告。

提出的方法

• 在扫描隧道显微镜和谱学（SP-STM/STS）中使用自旋极化的Cr探针，以检测局域磁矩。
• 在CsV₃Sb₅表面进行空间分辨测量，比较自旋向上与向下极化探针下的隧道谱。
• 通过隧道谱的傅里叶变换分析，检测CDW序图案中的磁各向异性或自旋纹理。
• 改变磁场强度（最高达4 T）和磁场方向，以测试磁场可调的手性电荷序。
• 采用优化的实验设计，以最小化背景噪声并增强对微弱磁信号的灵敏度。
• 将结果与理论预测进行比较，即手性环流电流可产生约0.2 μB或更小的局域磁矩。

实验结果

研究问题

• RQ1 CsV₃Sb₅中的手性通量电流相是否通过自旋极化隧道效应产生可探测的局域磁矩？
• RQ2 在隧道谱中是否存在可测量的自旋差信号，以表明手性电流引起的时间反演对称性破缺？
• RQ3 在不同磁场和探针极化条件下，2a₀×2a₀电荷密度波序是否表现出自旋纹理或磁各向异性？
• RQ4 若手性环流电流存在，SP-STM能否在实验灵敏度范围内分辨其磁信号？
• RQ5 手性环流电流在CsV₃Sb₅中诱导的磁矩大小上限是多少？

主要发现

• SP-STM数据中清晰观测到2a₀×2a₀电荷密度波和4a₀条纹序图案，证实了CDW态的存在。
• 在自旋向上与向下极化探针之间未检测到自旋差信号，表明实验分辨率下无可观测的局域磁矩。
• 在不同磁场和探针极化条件下，傅里叶变换谱中无强度调制，排除了与手性电荷序相关的自旋纹理。
• 基于实验灵敏度，任何由手性环流电流引起的磁矩上限被约束在小于0.2 μB。
• 在最高4 T的磁场范围内，未发现2a₀×2a₀ CDW图案中存在磁场可调的手性电荷序。
• 结果与近期μSR测量结果一致：在CDW转变温度以下，自旋弛豫率仅出现微弱增强，未显示长程磁序或手性电流相的明确信号。