JoVE Journal > Engineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Risultati
Discussion
Divulgazioni
Acknowledgements
Materials
Riferimenti
Traduzione automatica
Ingegneria

Visualisere enakset-stamme Manipulation af Antiferromagnetic domæner i Fe1 +YTe med et Spin-polariseret Scanning Tunneling mikroskop

Published: March 24, 2019
doi:
10.3791/59203
, , , , ,
1Department of Physics, Applied Physics and Astronomy,Binghamton University, 2Institute of Physics,University of Silesia

Summary

Ved hjælp af enakset stamme kombineret med spin-polariseret scanning tunneling mikroskopi, vi visualisere og manipulere domænestrukturen antiferromagnetic af Fe1 + yTe, den overordnede sammensatte af jern-baserede superledere.

Abstract

Søgen efter at forstå korreleret elektroniske systemer har skubbet grænserne af eksperimentelle målinger mod udvikling af nye eksperimentelle teknikker og metoder. Her bruger vi en roman hjemmebyggede enakset-stamme enhed integreret i vores variabel temperatur scanning tunneling mikroskop, der gør det muligt for os at controllably manipulere i flyet enakset stamme i prøver og sonde deres elektroniske svar på atomar skala. Ved hjælp af scanning tunneling mikroskopi (STM) med spin-polarisering teknikker, vi visualisere antiferromagnetic (AFM) domæner og deres atomare struktur i Fe1 +yTe prøver, den overordnede sammensatte af jern-baserede superledere, og vise, hvordan disse domæner reagere på anvendt enakset stamme. Vi observerer tovejs AFM domæner i unstrained prøven, med en gennemsnitlig domæne størrelse af ~ 50-150 nm, at overgangen til en enkelt ensrettet domæne under anvendt enakset stamme. Resultaterne præsenteres her åbner en ny retning for at udnytte en værdifuld tuning parameter i STM, samt andre spektroskopiske teknikker, både for tuning de elektroniske egenskaber som for inducerende symmetri bryde i quantum materielle systemer.

Introduction

Høj temperatur superledning i cuprates og jern-baserede superledere er en spændende quantum sag1,2. En stor udfordring i forståelsen superledning er lokalt sammenflettede arten af forskellige brudt symmetri stater, såsom elektroniske nematisk og smectic faser (at bryde roterende og translationel symmetrier af de elektroniske stater), med superledning3,4,5,6,7. Manipulation og bevidst tuning af staterne brudt symmetri er et afgørende mål mod forståelse og kontrollerende superledning.

Kontrolleret stamme, både enakset og biaksiale, er en veletableret teknik til at tune de kollektive elektroniske stater i kondenserede stoffer systemer8,9,10,11,12, 13,14,15,16,17,18,19,20,21, 22. Denne rene tuning, er uden indførelsen af lidelse gennem kemiske doping, almindeligt anvendt i forskellige slags eksperimenter til tune bulk elektroniske egenskaber23,24,25,26 . For eksempel enakset tryk har vist sig for at have en enorm effekt på superledning i Sr2RuO413 og cuprates27 og på de strukturelle, magnetiske, og nematisk faseovergange af jern-baserede superledere 10 , 14 , 28 , 29 og blev for nylig demonstreret i tuning de topologiske stater af SMB-624. Brugen af stamme i overflade-følsomme teknikker, såsom STM og vinkel-løst photoemission spektroskopi (ARPES), har imidlertid været begrænset til in situ-vokset tynd film på forskellige substrater26,30. Den store udfordring med anvendelse stamme til enkelte krystaller i overflade-følsomme eksperimenter er behovet for at kløve de anstrengte prøver i ultrahigh vakuum (UHV). I de sidste par år, har en alternativ retning været at epoxy en tynd prøve på piezo stakke9,10,18,31 eller på plader med forskellige koefficienter, der termisk ekspansion19 ,32. Men i begge tilfælde størrelsen af den anvendte stamme er ret begrænset.

Her vi demonstrere brugen af en roman mekanisk enakset-stamme anordning, der gør det muligt for forskere at stamme en prøve (trykstyrke stamme) uden begrænsninger og samtidig visualisere dets overflade struktur ved hjælp af STM (Se figur 1). Som et eksempel, vi bruge enkelte krystaller af Fe1 +yTe, hvor y = 0,10, den overordnede sammensatte af jern chalcogenide superledere (y er den overskydende jern koncentration). Under TN = ~ 60 K, Fe1 +yTe overgange fra en høj temperatur Paramagnetiske stat i en lav-temperatur antiferromagnetic tilstand med en bicollinear stribe magnetiske ordre26,33 ,34 (Se figur 3A, B). Magnetiske overgangen er yderligere ledsaget af en strukturel overgang fra tetragonal monoclinic26,35. I flyet AFM ordre danner detwinned domæner med spin struktur peger langs den lange b-retning ændres strukturen34. Ved at visualisere AFM ordre med spin-polariseret STM, vi sonde tovejs domænestruktur i unstrained Fe1 +yTe prøver og observere deres overgang til en enkelt stor domæne under anvendt stamme (Se skematisk i Figur 3 C-E). Disse eksperimenter viser vellykket overflade tuning af de enkelte krystaller ved hjælp af enhedens enakset-stamme præsenteres her, når prøven og den samtidige billeddannelse af dens overfladestruktur med scanning tunneling mikroskop. Figur 1 viser den skematiske tegninger og billeder af den mekaniske belastning enhed.

Protocol

Bemærk: Den U-formede krop er lavet af 416-grade rustfrit stål, som er stiv og har en lav koefficient for termisk udvidelse (CTE), ~9.9 μm/(m∙°C), i forhold til ~17.3 μm/(m∙°C) 304-grade rustfrit stål. 1. mekaniske enakset-stamme enhed Rene U-formet enhed, mikrometer skruer (1-72 svarende til 72 rotationer pr. tomme), Belleville foråret diske og bundpladen af sonicating dem separat i acetone først og derefter i isopropanol, i 20 min. hver, i et ultralydsbad sonikator. De…

Representative Results

STM topographs blev målt i konstant aktuelle tilstand med setpoint bias-12 MeV anvendes til prøven og en setpoint nuværende af-1.5 nA indsamlet på spidsen. PT-Ir tips blev brugt i alle eksperimenter. For at opnå spin-polariseret STM, har scanning tunneling mikroskop spidsen skal belægges med magnetisk atomer, hvilket kan være meget udfordrende. I dette tilfælde at studere Fe1 +yTe, giver prøven selv et simpelt middel til at opnå dette. Overskydende…

Discussion

Alle operationer skal flytte prøverne i og inde i STM udføres ved hjælp af sæt af arm manipulatorer. STM bevares ved lave temperaturer af flydende kvælstof og flydende helium, og prøven køler ned i mindst 12 timer før ved at blive kontaktet. Dette giver mulighed for temperaturen i prøven og mikroskop til nå termisk ligevægt. For at isolere elektrisk og akustisk støj, placeres STM i en akustisk og radio frekvens afskærmet rum. Mikroskop hoved er yderligere suspenderet fra fjedre til optimeret instrumental sta…

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

P.A. anerkender støtte fra den amerikanske National Science Foundation (NSF) karriere under award nr. DMR-1654482. Materielle syntese blev gennemført med støtte fra den polske nationale Science Centre grant 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
DOWNLOAD MATERIALS LIST

Riferimenti

  1. Paglione, J., Greene, R. L. High-temperature superconductivity in iron-based materials. Nature Physics. 6 (9), 645 (2010).
  2. 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).
  3. 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).
  4. Dagotto, E. Complexity in strongly correlated electronic systems. Science. 309, 257-262 (2005).
  5. 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).
  6. Fernandes, R., Chubukov, A., Schmalian, J. What drives nematic order in iron-based superconductors. Nature Physics. 10 (2), 97 (2014).
  7. 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).
  8. Stillwell, E., Skove, M., Davis, J. Two “Whisker” Straining Devices Suitable for Low Temperatures. Review of Scientific Instruments. 39 (2), 155-157 (1968).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. Hicks, C. W., et al. Strong increase of Tc of Sr2RuO4 under both tensile and compressive strain. Science. 344 (6181), 283-285 (2014).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. Steppke, A., et al. Strong peak in T c of Sr2RuO4 under uniaxial pressure. Science. 355 (6321), 133 (2017).
  18. Yim, C. M., et al. Discovery of a strain-stabilised smectic electronic order in LiFeAs. Nature Communications. 9 (1), 2602 (2018).
  19. 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).
  20. 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).
  21. Zhang, Y., et al. Symmetry breaking via orbital-dependent reconstruction of electronic structure in detwinned NaFeAs. Physical Review B. 85 (8), 085121 (2012).
  22. 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).
  23. Iida, K., et al. Strong T c dependence for strained epitaxial Ba(Fe1-xCox)2As2 thin films. Applied Physics Letters. 95 (19), 192501 (2009).
  24. 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).
  25. Iida, K., et al. Hall-plot of the phase diagram for Ba(Fe1−xCox)2As2. Scientific Reports. 6, 28390 (2016).
  26. 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).
  27. 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).
  28. 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).
  29. He, M., et al. Dichotomy between in-plane magnetic susceptibility and resistivity anisotropies in extremely strained BaFe2As2. Nature Communications. 8 (1), 504 (2017).
  30. Engelmann, J., et al. Strain induced superconductivity in the parent compound BaFe2As2. Nature Communications. 4 (2877), 2877 (2013).
  31. Berger, A. D. N., et al. . Temperature Driven Topological Switch in 1T’-MoTe2 and Strain Induced Nematicity in NaFeAs. , (2018).
  32. Böhmer, A., et al. Effect of biaxial strain on the phase transitions of Ca(Fe1−xCox)2As2. Physical Review Letters. 118 (10), 107002 (2017).
  33. 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).
  34. 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).
  35. Enayat, M., et al. Real-space imaging of the atomic-scale magnetic structure of Fe1+yTe. Science. 345 (6197), 653-656 (2014).
  36. 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).
  37. 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).

Tags

Uniaxial-strainAntiferromagnetic DomainsFe1+YTeSpin-polarized Scanning Tunneling MicroscopeHigh Temperature SuperconductorsBroken Symmetry StatesSingle CrystalSDM-compatibleDevice TestingVisual Demonstration
check_url/it/59203?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Citazione di questo articolo
Kavai, M., Giannakis, I., Leshen, J., Friedman, J., Zajdel, P., Aynajian, P. Visualizing Uniaxial-strain Manipulation of Antiferromagnetic Domains in Fe1+YTe Using a Spin-polarized Scanning Tunneling Microscope. J. Vis. Exp. (145), e59203, doi:10.3791/59203 (2019).
Scarica citazione
Ristampe e autorizzazioni

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image