Визуализация одноосная деформация манипуляции антиферромагнетике доменов в Fe1 +YTe с помощью спин поляризованных сканирование туннельный микроскоп
Summary
С помощью одноосная деформация в сочетании с вращательно поляризованный сканирующий туннельный микроскопии, мы визуализировать и управлять антиферромагнетике доменной структуры Fe1 + yTe, родитель соединения на основе железа сверхпроводников.
Abstract
Стремление понять коррелированных электронных систем подтолкнуло границ экспериментальных измерений к развитию новых экспериментальных методов и методологий. Здесь мы используем роман построен дом одноосная деформация устройство интегрированы в нашей переменной температуры, сканирующий туннельный микроскоп, который позволяет нам controllably манипулировать в плоскости одноосные штамм в образцах и зондировать их электронный ответ на атомной шкале. С помощью сканирующей микроскопии (СТМ) туннелирования с методами спин поляризации, мы визуализируем антиферромагнетике (AFM) доменов и их атомной структуры в Fe1 +yTe образцов, родитель соединения на основе железа сверхпроводников, и продемонстрировать, как эти домены реагировать прикладной одноосная деформация. Мы наблюдаем двунаправленный AFM доменов в образце нефильтрованное, с среднем домена Размер ~ 50-150 Нм, для перехода в один домен однонаправленный под прикладной одноосная деформация. Представленные здесь выводы открыть новое направление использовать ценный Настройка параметра STM, а также другие спектроскопические методы, как для настройки электронных свойств как заставить симметрии в квантовых систем и материалов.
Introduction
Высокотемпературной сверхпроводимости в купратов и на основе железа сверхпроводников является интригующей государством Квантовая вопрос1,2. Серьезной проблемой в понимании сверхпроводимости является локально взаимосвязанный характер различных государств нарушенной симметрией, например электронные нематические и smectic фаз (которые нарушают вращательное и поступательное симметрии электронных состояний), с Сверхпроводимость3,4,5,6,7. Манипуляции и преднамеренное тюнинг этих государств нарушенной симметрией является ключевой задачей сторону понимание и управление сверхпроводимости.
Контролируемые штамм, одноосные и двухосных, является устоявшейся техника для настройки коллективные электронных состояний в конденсированных систем8,9,10,11,12, 13,14,,1516,,1718,19,20,21, 22. Этот чистый тюнинг, без введения расстройства через химические допинг, широко используется в различного рода экспериментов настроиться массовых электронных свойств23,24,25,26 . К примеру одноосные давление оказался иметь огромное влияние на сверхпроводимость в Sr2Руо413 и27 купратов и структурных, магнитные и нематические фазовых переходов на основе железа сверхпроводников 10 , 14 , 28 , 29 и было недавно продемонстрировано в тюнинг топологических государства SmB624. Однако использование штамма в поверхности чувствительных методов, таких как СТМ и угол решена фотоэлектронная спектроскопия (ARPES), была ограничена в situ выросли тонких пленок на несоответствующие субстратов26,30. Основная проблема с применением штамм монокристаллов в поверхности чувствительных экспериментов является необходимость прилепится напряженными образцы в сверхвысокого вакуума (СВВ). В последние несколько лет альтернативное направление стало эпоксидной тонкий образец на пьезо стеки9,10,18,31 или пластин с разными коэффициентами теплового расширения19 ,32. Тем не менее в обоих случаях масштабы прикладной штамм весьма ограничены.
Здесь мы продемонстрировать использование Роман механическое устройство одноосные штамм, который позволяет исследователям деформации образца (сжимающей нагрузки) без ограничений и одновременно визуализировать его структура поверхности с использованием STM (см. Рисунок 1). В качестве примера, мы используем монокристаллов Fe1 +yTe, где y = 0,10, родитель соединения железа халькогенида сверхпроводников (y является концентрация избыток железа). Ниже TN = ~ 60 K, Fe1 +yTe переходит от высокой температуры парамагнитных государства в низкотемпературных антиферромагнетике состояние с bicollinear полосой магнитные порядка26,33 ,34 (см. рис. 3а, B). Магнитные перехода далее сопровождается структурного перехода от тетрагональная моноклинная26,35. Порядок в плоскости AFM образует detwinned домены с структуре спин, указывая вдоль оси b длинные ромбическая структуры34. Посредством визуализации AFM порядок с вращательно поляризованный STM, мы зонд двунаправленный доменной структуры в нефильтрованное Fe1 +yTe образцов и наблюдать их перехода в один большой домен под прикладной штамм (см. чертеж в Рисунок 3 C-E). Эти эксперименты показывают успешное поверхности тюнинг монокристаллов с использованием устройства одноосная деформация, представленные здесь, рассекая образца и одновременные снимки поверхности структуры с сканирующий туннельный микроскоп. Рисунок 1 показывает схематические чертежи и фотографии устройства механической деформации.
Protocol
Representative Results
Discussion
Все операции, необходимые для перемещения образцы в и внутри STM осуществляется с помощью наборов руку манипуляторов. STM поддерживается при низких температурах жидкого азота и жидкого гелия, и образец охлаждает вниз для по крайней мере 12 h до подходили. Это позволяет температуры образца ?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
П.а. признает поддержку от Фонда национальной науки США (NSF) карьеру под награду нет DMR-1654482. Материал синтез был осуществлен при поддержке польского национального научного центра гранта No 2011/01/B/ST3/00425.
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).
