[论文解读] Three-state nematicity and magneto-optical Kerr effect in the charge density waves in kagome superconductors

Yishuai Xu, Zhuoliang Ni+7 more|arXiv (Cornell University)|Apr 21, 2022

Topological Materials and Phenomena被引用 15

一句话总结

本研究通过扫描双折射显微术和磁光 Kerr 效应，在 kagome 超导体 AV₃Sb₅ 中识别出三态向列序与时间反演对称性破缺，证明在电荷密度波（CDW）相变温度下，六重旋转对称性与时间反演对称性同时破缺。结果支持一种层间具有 π 相位移的交替 CDW 有序模型，为环流提供了直接证据，并解决了长期以来关于这些关联量子材料中对称性破缺的争议。

ABSTRACT

The kagome lattice provides a fascinating playground to study geometrical frustration, topology and strong correlations. The newly-discovered kagome metals AV$_3$Sb$_5$ (where A can refer to K, Rb, or Cs) exhibit phenomena including topological band structure, symmetry-breaking charge-density waves and superconductivity. Nevertheless, the nature of the symmetry breaking in the charge-density wave phase is not yet clear, despite the fact that it is crucial in order to understand whether the superconductivity is unconventional. In this work, we perform scanning birefringence microscopy on all three members of this family and find that six-fold rotation symmetry is broken at the onset of the charge-density wave transition in all these compounds. We show that the three nematic domains are oriented at 120$^\circ$ to each other and propose that staggered charge-density wave orders with a relative $π$ phase shift between layers is a possibility that can explain these observations. We also perform magneto-optical Kerr effect and circular dichroism measurements. The onset of both signals is at the transition temperature, indicating broken time-reversal symmetry and the existence of the long-sought loop currents in that phase.

研究动机与目标

• 解决长期以来关于 kagome 超导体 AV₃Sb₅ 中电荷密度波（CDW）序是否破缺六重或二重旋转对称性的争议。
• 确定时间反演对称性（TRS）破缺的起始温度及其与 CDW 相变的关系。
• 利用微米尺度成像技术，为 AV₃Sb₅ 中的环流提供直接实验证据。
• 通过识别具有 120° 取向的三种向列态结构，约束 CDW 有序的理论模型。
• 澄清宏观测量、纳米尺度测量与零场测量之间在 TRS 破缺序参量上的矛盾。

提出的方法

• 采用扫描双折射显微术，通过测量入射光束方向变化引起的偏振变化，检测旋转对称性破缺。
• 测量磁光 Kerr 效应（MOKE）与圆二色性（CD），以检测时间反演对称性破缺，并分离出磁偶极与贝里曲率贡献的信号。
• 建立了理论模型以分离 Kerr 与双折射贡献，结果表明后者在 10⁻⁶ 水平下可忽略不计。
• 实验装置采用基频与谐频的锁相检测，以从背景噪声中分离出 CD 与 Kerr 信号。
• 对 CD 效应的理论分析表明，信号源于电偶极矩（时间反演下为奇）与电-磁偶极矩混合项（镜像/反演下为奇），从而实现对 TRS 破缺的探测。
• 采用具有层间 π 相位移的 CDW 有序理论模型，以解释观测到的三态向列序与对称性降低现象。

实验结果

研究问题

• RQ1 AV₃Sb₅ 中的电荷密度波相变是否破缺六重旋转对称性？其发生温度为何？
• RQ2 在 CDW 相变温度下是否发生时间反演对称性破缺？该破缺是否与 CDW 有序的出现直接相关？
• RQ3 破缺对称性的本质是二重还是三态向列序？其与层间 CDW 相位相干性的关系如何？
• RQ4 观测到的磁光 Kerr 效应与圆二色性信号是否可归因于环流或其他 TRS 破缺序参量？
• RQ5 CDW 有序中的层间相位移如何影响整体晶体对称性与电子响应？

主要发现

• 在所有三种 AV₃Sb₅ 化合物（A = K, Rb, Cs）中，六重旋转对称性在 CDW 相变温度下被破缺，形成三个相隔 120° 的向列态结构。
• 磁光 Kerr 效应与圆二色性信号的起始点与 CDW 相变温度完全一致，证实该温度点存在时间反演对称性破缺。
• 双折射对圆二色性信号的修正估计值约为 10⁻⁶，确认其相对于实测 CD 信号可忽略不计。
• 观测到的三态向列序可通过具有层间 π 相位移的交替 CDW 有序模型解释，使对称性从六重降至三重。
• 结果为 kagome 超导体中环流的存在提供了直接实验证据，解决了该领域长期存在的疑问。
• 微米尺度扫描双折射显微术弥合了纳米尺度 STM 与宏观测量之间的鸿沟，为理论模型提供了新的约束。