단축 긴장 조작 Fe1 +Y테 스핀 편광 스캔 터널링 현미경을 사용 하 여 Antiferromagnetic 도메인의 시각화
Summary
단축 긴장을 사용 하 여 스핀 편광 주사 터널링 현미경과 함께, 우리는 시각화 Fe의 antiferromagnetic 도메인 구조를 조작1 + y테, 철 기반 초전도체의 부모 화합물.
Abstract
상관된 전자 시스템을 이해 하는 탐구의 새로운 실험적인 기술 및 방법론의 개발을 향해 실험 측정 국경 밀고 있다. 여기 우리가 우리의 가변 온도 controllably 샘플에서 비행기에 단축 긴장을 조작 하 고 프로브 원자 규모에서 그들의 전자 응답 수 있는 터널링 현미경 검사에 통합 소설 집에서 만든 단축 긴장 장치를 사용. 우리 antiferromagnetic (AFM) 도메인 및 Fe1 +y테 샘플, 철 기반 초전도체의 부모 화합물에에서 그들의 원자 구조를 시각화 터널링 현미경 (STM) 스핀-분극 기술 검색을 사용 하 여, 그리고 이러한 도메인 적용된 단축 긴장에 대처 하는 방법을 보여 줍니다. 우리는 양방향 AFM 도메인 ~ 50-150의 평균 도메인 크기 unstrained 샘플에 관찰 nm, 단축 적용 받으며 단일 단방향 도메인으로 전환. 여기에 제시 된 결과 STM, 다른 분 광 기법, 대칭 양자 소재 시스템에서 유도 관해서는 전자 속성을 튜닝에 대 한 둘 다에 있는 중요 한 튜닝 매개 변수를 활용 하는 새로운 방향으로 엽니다.
Introduction
Cuprates와 철 기반 초전도체에 고온 초전도 양자 문제1,2의 흥미로운 상태입니다. 이해 초전도 주요 과제는 전자 nematic 및 smectic 단계 (전자의 회전 및 변환 대칭 끊기)와 같은 다양 한 깨진된 대칭 상태의 로컬로 얽혀 자연 초전도3,,45,,67. 조작과 고의적인 튜닝이 깨진된 대칭의 이해 및 초전도 제어 핵심 목표 이다.
제어 변형, 단축 및 biaxial, 압축된 문제 시스템8,,910,11,12, 집단 전자 상태를 조정 하는 확고 기술입니다. 13,14,15,,1617,18,19,20,21, 22. 이 깨끗 한 튜닝, 화학도 핑을 통해 장애의 소개 없이 일반적으로 다양 한 종류의 실험에 대량 전자 속성23,,2425,26 조정 . 예를 들어 매치 압력 nematic 상전이 철 기반 초전도체의 초전도 구조, 자석, 및 Sr2RuO413 에 cuprates27 에 엄청난 효과를 입증 했다 10 , 14 , 28 , 29 그리고 최근 SmB624의 토폴로지 상태 튜닝에서 설명 되었다. 그러나, 표면에 민감한 기법, STM 등 각도 해결 광전자 방출 분광학 (ARPES) 스트레인의 사용에 제한 해 라 성장 박막 일치 하지 않는 기판26,30에 되었습니다. 표면에 민감한 실험에 단일 결정에 긴장을 적용 하 여 주요 과제는 초고 진공 (UHV)에 긴장된 샘플을 쪼개 다 필요가. 지난 몇 년 동안, 대체 방향 압 스택9,10,,1831 에 또는 열 확장19의 다른 계수 접시에 얇은 샘플을 에폭시 하고있다 ,32. 그러나 두 경우 모두, 적용 된 스트레인의 크기 매우 제한 됩니다.
여기 우리 제약 없이 샘플 (압축 변형)을 변형 하 고 동시에 STM을 사용 하 여 그것의 표면 구조를 시각화 하는 연구자 수 있도록 새로운 기계 단축 긴장 장치의 사용을 보여 줍니다 ( 그림 1참조). 예를 들어, 사용 하는 철1 +yTe의 단일 결정 어디 y = 0.10, (y는 과잉 철 분 농도) 철 칼코게나이드 초전도체의 부모 화합물. TN 아래 = ~ 60 K, Fe1 +y테 변환 높은 온도 상자성 상태에서 낮은 온도는 bicollinear 스트라이프 자기 순서26,33 와 antiferromagnetic 상태 34 ( 그림 3A, B참조). 마그네틱 전환 추가 동반 된다 구조 전환 정방에서 단사26,35. 비행기에서 AFM 순서 orthorhombic 구조34의 긴 b 방향을 따라 가리키는 스핀 구조와 detwinned 도메인을 형성 합니다. 스핀 편광 STM와 AFM 순서를 시각화, 여 우리 unstrained Fe1 +y테 샘플에서 양방향 도메인 구조를 조사 하 고 그들의 전환을 적용 받으며 하나의 큰 도메인으로 관찰 ( 에서 회로도 참조 그림 3 C-E). 이러한 실험 주사 터널링 현미경 샘플 및 표면 구조의 동시 이미징의 고착, 여기에 제시 된 단축 긴장 장치를 사용 하 여 단일 결정의 성공적인 표면 조정 표시. 그림 1 도식 도면 및 기계 긴장 장치의 사진을 보여준다.
Protocol
Representative Results
Discussion
STM 내부 샘플으로 이동 하는 데 필요한 모든 작업 팔 조작자의 세트를 사용 하 여 수행 됩니다. STM은 낮은 온도에서 액체 질소와 액체 헬륨에 의해 고 샘플 접근 되 고 전에 적어도 12 h 아래로 냉각. 샘플 및 현미경 온도를 열 평형에 도달 수 있습니다. 전기 및 음향 소음, 격리 하는 STM는 음향 및 무선 주파수 차폐 룸에 배치 됩니다. 현미경 머리 더 최적화 된 수단이 안정성에 대 한 스프링에서 일시 …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
펜 실바 니 아. 수상에서 지원에서는 미국 국립 과학 재단 (NSF) 경력 인정 DMR-1654482입니다. 소재 합성 아니 2011/01/B/ST3/00425 폴란드 국립 과학 센터 보조금의 지원으로 수행 되었다.
Materials
| Belleville spring disks | McMaster Carr | ||
| Fe(1.1)Te | Single Crystal | ||
| H20E | Epoxy Technology | ||
| H74F | Epoxy Technology | ||
| Micrometer screws | McMaster Carr | ||
| Stainless Steel sheets (416) | McMaster Carr |
References
- Paglione, J., Greene, R. L. High-temperature superconductivity in iron-based materials. Nature Physics. 6 (9), 645 (2010).
- Keimer, B., Kivelson, S. A., Norman, M. R., Uchida, S., Zaanen, J. From quantum matter to high-temperature superconductivity in copper oxides. Nature. 518, 179-186 (2015).
- Anderson, P. W. Physics: The opening to complexity. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 92 (15), 6653-6654 (1995).
- Dagotto, E. Complexity in strongly correlated electronic systems. Science. 309, 257-262 (2005).
- Davis, J. S., Lee, D. -. H. Concepts relating magnetic interactions, intertwined electronic orders, and strongly correlated superconductivity. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 110 (44), 17623-17630 (2013).
- Fernandes, R., Chubukov, A., Schmalian, J. What drives nematic order in iron-based superconductors. Nature Physics. 10 (2), 97 (2014).
- Fradkin, E., Kivelson, S. A., Tranquada, J. M. Colloquium: Theory of intertwined orders in high temperature superconductors. Reviews of Modern Physics. 87 (2), 457 (2015).
- Stillwell, E., Skove, M., Davis, J. Two “Whisker” Straining Devices Suitable for Low Temperatures. Review of Scientific Instruments. 39 (2), 155-157 (1968).
- Shayegan, M., et al. Low-temperature, in situ tunable, uniaxial stress measurements in semiconductors using a piezoelectric actuator. Applied Physics Letters. 83 (25), 5235-5237 (2003).
- Chu, J. -. H., Kuo, H. -. H., Analytis, J. G., Fisher, I. R. Divergent nematic susceptibility in an iron arsenide superconductor. Science. 337 (6095), 710-712 (2012).
- Song, Y., et al. Uniaxial pressure effect on structural and magnetic phase transitions in NaFeAs and its comparison with as-grown and annealed BaFe2As2. Physical Review B. 87 (18), 184511 (2013).
- Allan, M. P., et al. Anisotropic impurity states, quasiparticle scattering and nematic transport in underdoped Ca(Fe1−xCox)2As2. Nature Physics. 9 (4), 220-224 (2013).
- Hicks, C. W., et al. Strong increase of Tc of Sr2RuO4 under both tensile and compressive strain. Science. 344 (6181), 283-285 (2014).
- Hicks, C. W., Barber, M. E., Edkins, S. D., Brodsky, D. O., Mackenzie, A. P. Piezoelectric-based apparatus for strain tuning. Review of Scientific Instruments. 85 (6), 065003 (2014).
- Gannon, L., et al. A device for the application of uniaxial strain to single crystal samples for use in synchrotron radiation experiments. Review of Scientific Instruments. 86 (10), 103904 (2015).
- Kretzschmar, F., et al. Critical spin fluctuations and the origin of nematic order in Ba(Fe1−xCox)2As 2. Nature Physics. 12 (6), 560 (2016).
- Steppke, A., et al. Strong peak in T c of Sr2RuO4 under uniaxial pressure. Science. 355 (6321), 133 (2017).
- Yim, C. M., et al. Discovery of a strain-stabilised smectic electronic order in LiFeAs. Nature Communications. 9 (1), 2602 (2018).
- Gao, S., et al. Atomic-scale strain manipulation of a charge density wave. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 115 (27), 6986-6990 (2018).
- Jiang, J., et al. Distinct in-plane resistivity anisotropy in a detwinned FeTe single crystal: Evidence for a Hund’s metal. Physical Review B. 88 (11), 115130 (2013).
- Zhang, Y., et al. Symmetry breaking via orbital-dependent reconstruction of electronic structure in detwinned NaFeAs. Physical Review B. 85 (8), 085121 (2012).
- Watson, M. D., Haghighirad, A. A., Rhodes, L. C., Hoesch, M., Kim, T. K. Electronic anisotropies revealed by detwinned angle-resolved photo-emission spectroscopy measurements of FeSe. New Journal of Physics. 19 (10), 103021 (2017).
- Iida, K., et al. Strong T c dependence for strained epitaxial Ba(Fe1-xCox)2As2 thin films. Applied Physics Letters. 95 (19), 192501 (2009).
- Stern, A., Dzero, M., Galitski, V., Fisk, Z., Xia, J. Surface-dominated conduction up to 240 K in the Kondo insulator SmB 6 under strain. Nature Materials. 16 (7), 708-711 (2017).
- Iida, K., et al. Hall-plot of the phase diagram for Ba(Fe1−xCox)2As2. Scientific Reports. 6, 28390 (2016).
- Hänke, T., et al. Reorientation of the diagonal double-stripe spin structure at Fe1+yTe bulk and thin-film surfaces. Nature Communications. 8, 13939 (2017).
- Takeshita, N., Sasagawa, T., Sugioka, T., Tokura, Y., Takagi, H. J. Gigantic anisotropic uniaxial pressure effect on superconductivity within the CuO2 plane of La1.64Eu0.2Sr0.16CuO4: Strain control of stripe criticality. Journal of the Physical Society of Japan. 73 (5), 1123-1126 (2004).
- Kuo, H. -. H., Shapiro, M. C., Riggs, S. C., Fisher, I. R. Measurement of the elastoresistivity coefficients of the underdoped iron arsenide Ba(Fe0.975Co0.025)2As2. Physical Review B. 88 (8), 085113 (2013).
- He, M., et al. Dichotomy between in-plane magnetic susceptibility and resistivity anisotropies in extremely strained BaFe2As2. Nature Communications. 8 (1), 504 (2017).
- Engelmann, J., et al. Strain induced superconductivity in the parent compound BaFe2As2. Nature Communications. 4 (2877), 2877 (2013).
- Berger, A. D. N., et al. . Temperature Driven Topological Switch in 1T’-MoTe2 and Strain Induced Nematicity in NaFeAs. , (2018).
- Böhmer, A., et al. Effect of biaxial strain on the phase transitions of Ca(Fe1−xCox)2As2. Physical Review Letters. 118 (10), 107002 (2017).
- Bao, W., et al. Tunable (δ π, δ π)-type antiferromagnetic order in α-Fe(Te,Se) superconductors. Physical Review Letters. 102 (24), 247001 (2009).
- Koz, C., Rößler, S., Tsirlin, A. A., Wirth, S., Schwarz, U. Low-temperature phase diagram of Fe1+yTe studied using x-ray diffraction. Physical Review B. 88 (9), 094509 (2013).
- Enayat, M., et al. Real-space imaging of the atomic-scale magnetic structure of Fe1+yTe. Science. 345 (6197), 653-656 (2014).
- Singh, U. R., Aluru, R., Liu, Y., Lin, C., Wahl, P. Preparation of magnetic tips for spin-polarized scanning tunneling microscopy on Fe1+yTe. Physical Review B. 91 (16), 161111 (2015).
- Chandra, S., Islam, A. K. M. A. Elastic and electronic properties of PbO-type FeSe1-xTex (x= 0-1.0): A first-principles study. ArXiv preprint. , (2010).
