Visualisierung von einachsiger Beanspruchung Manipulation der antiferromagnetischen Domänen in Fe1 +YTe mit einer Spin-polarisierten Scanning Tunneling Mikroskop
Summary
Mit einachsiger Beanspruchung kombiniert mit Spin-polarisierten scanning tunneling Microscopy, wir visualisieren und bearbeiten die antiferromagnetischen Domänenstruktur Fe1 + yTe, das Elternteilmittel Eisen basierten Supraleitern.
Abstract
Die Quest korrelierte elektronische Systeme zu verstehen hat die Grenzen der experimentellen Messungen in Richtung der Entwicklung der neuen experimentellen Techniken und Methoden vorangetrieben. Hier verwenden wir ein neuartiges selbstgebauten einachsiger Belastung Gerät in unsere Variable Temperatur scanning tunneling Mikroskop, das ermöglicht es uns, kontrollierbar in der Ebene einachsiger Beanspruchung in Proben zu manipulieren und ihre elektronische Antwort auf atomarer Skala Sonde integriert. Mit scanning tunneling Microscopy (STM) mit Spinpolarisation Techniken, wir visualisieren antiferromagnetischen (AFM) Domains und deren atomare Struktur in Fe1 +yTe Proben, das Elternteilmittel Eisen basierten Supraleitern und demonstrieren Sie, wie diese Domains auf angewandte einachsiger Belastung reagieren. Wir beobachten die bidirektionale AFM Domänen in der ungezwungenen Probe mit einer durchschnittlichen Domäne Größe von ~ 50-150 nm, den Übergang in eine unidirektionale Einzeldomäne angewandte einachsigen belastet. Die hier vorgestellten Ergebnisse eröffnen eine neue Richtung um einen wertvollen tuning Parameter im STM, sowie andere spektroskopischen Techniken, sowohl für die Optimierung der elektronischen Eigenschaften wie Induktion Symmetrie brechen in Quantensystemen Material zu nutzen.
Introduction
Hochtemperatur-Supraleitung in Cuprate und Eisen basierten Supraleitern ist eine faszinierende Quantum Angelegenheit1,2. Eine große Herausforderung bei der Supraleitung Verständnis wird lokal verflochten unter verschiedenen gebrochenen Symmetrie Staaten, wie z. B. elektronische nematische und Smectic Phasen (die rotatorische und translatorische Symmetrien der elektronischen Staaten brechen), mit Supraleitung3,4,5,6,7. Manipulation und bewusste tuning dieser gebrochenen Symmetrie-Staaten ist ein wichtiges Ziel in Richtung verstehen und Steuern Supraleitung.
Kontrollierte Belastung, einachsige und zweiachsige, ist eine gut etablierte Technik Tune die kollektive elektronische Staaten in kondensierter Materie Systeme8,9,10,11,12, 13,14,15,16,17,18,19,20,21, 22. Diese saubere Stimmung, ohne die Einführung einer Störung durch chemische doping, häufig in verschiedenen Arten von Experimenten dient zur Masse elektronischen Eigenschaften23,24,25,26 Stimmen . Zum Beispiel hat einaxialer Druck erwies sich eine immense Wirkung auf Supraleitung in Sr2RuO413 und Cuprate27 und auf der strukturellen, magnetisch, und nematische Phasenübergänge von Eisen basierten Supraleitern 10 , 14 , 28 , 29 und wurde vor kurzem in den topologischen Staaten von SMB-624tuning demonstriert. Die Verwendung von Dehnung in Oberfläche-Sensitive Techniken wie STM und Winkel gelöst Fotoemission Spektroskopie (ARPES), wurde jedoch beschränkt auf in Situ-grown Dünnschichten auf nicht übereinstimmende Substrate26,30. Die größte Herausforderung mit Einkristallen in Oberfläche-Sensitive Experimente Stamm zuweisen ist die Notwendigkeit, die belasteten Proben im Ultrahochvakuum (UHV) Spalten. In den letzten Jahren wurde eine alternative Richtung Epoxid-eine dünne Probe auf Piezo Stapel9,10,18,31 oder Platten mit unterschiedlichen Koeffizienten der thermischen Ausdehnung19 ,32. In beiden Fällen ist das Ausmaß der angewandte Belastung noch ziemlich begrenzt.
Hier zeigen wir die Verwendung eines neuartigen mechanischen einachsiger Beanspruchung-Geräts, das erlaubt es den Forschern belasten eine Probe (Druckspannung) ohne Zwänge und gleichzeitig visualisieren die Oberflächenstruktur mit STM (siehe Abbildung 1). Als Beispiel verwenden wir Einkristalle von Fe1 +yTe, wo y = 0,10, die Ausgangsverbindung der Eisen-Chalkogenid-Supraleiter (y ist die überschüssiges Eisen-Konzentration). Unter TN = ~ 60 K, Fe1 +yTe Übergänge von einer Hochtemperatur-paramagnetischen Zustand in einen Niedertemperatur-antiferromagnetischen Zustand mit einem Bicollinear Streifen magnetische Ordnung26,33 ,34 (siehe Abb. 3A, B). Der magnetische Übergang ist weiter eine strukturelle Umstellung von vierkantig monoklinen26,35einher. Die in der Ebene AFM Bestellformulare detwinned Domänen mit den Hinweis auf die lange b-Leitung der orthorhombic Struktur34Spinstruktur. Durch die Visualisierung der AFM-Bestellung mit Spin-polarisierten STM, wir untersuchen die bidirektionale Domänenstruktur in ungezwungenen Fe1 +yTe Proben und beobachten ihren Übergang in einer einzigen großen Domäne angewandte belastet (siehe Schaltplan im Abbildung 3 C-E). Diese Experimente zeigen die erfolgreiche Oberfläche Abstimmung der einzelnen Kristalle mit dem einachsiger Belastung Gerät das hier vorgestellte, die Spaltung der Probe und die gleichzeitige Darstellung der die Oberflächenstruktur mit dem Rastertunnelmikroskop. Abbildung 1 zeigt die schematische Zeichnungen und Bilder von der mechanischen Belastung Gerät.
Protocol
Representative Results
Discussion
Alle Operationen erforderlich, um die Proben in und innerhalb der STM bewegen werden durchgeführt mit Sätzen von Arm Manipulatoren. Die STM wird durch flüssigen Stickstoff und flüssiges Helium bei niedrigen Temperaturen beibehalten, und die Probe abkühlt für mindestens 12 h vor angesprochen. Dies ermöglicht der Temperatur der Probe und Mikroskop, thermisches Gleichgewicht zu erreichen. Um elektrische und akustische Lärm zu isolieren, wird die STM in eine akustische und Radiofrequenz abgeschirmten Raum platziert. …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
P.A. räumt Unterstützung von der US National Science Foundation (NSF) Karriere unter Award Nein. DMR-1654482. Materiellen Synthese erfolgte mit Unterstützung der polnischen National Science Centre Grant Nr. 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).
