Visualisere Uniaxial-belastning manipulering av Antiferromagnetic domener i Fe1 +YTe med en Spin-polarisert Scanning Tunneling mikroskopet
Summary
Bruke uniaxial belastning kombinert med spin-polarisert skanning tunnelering mikroskopi, vi visualiserer og håndterer antiferromagnetic domenestruktur Fe1 + yTe, den overordnede sammensatt av jern-baserte superconductors.
Abstract
Forsøk på å forstå korrelert elektroniske systemer har presset grensene for eksperimentell mål mot utviklingen av nye eksperimentelle teknikker og metoder. Her bruker vi en roman hjemmebygde uniaxial-belastning enhet integrert i våre variabel temperaturkontroll scanning tunneling mikroskop som kan vi controllably manipulere i flyet uniaxial belastning i prøver og undersøke sine elektronisk svar på atomic skalaen. Bruker scanning tunneling mikroskopi (STM) med spin-polarisering teknikker, vi visualisere antiferromagnetic (AFM) domener og deres Atom-strukturen i Fe1 +yTe prøver, den overordnede sammensatt av jern-baserte superconductors, og demonstrere hvordan disse domenene reagerer anvendt uniaxial belastning. Vi observerer ved hjelp av AFM domener i unstrained utvalget, med en gjennomsnittlig domene størrelse på ~ 50-150 nm, overgang til en enkelt enveis domene under anvendt uniaxial press. Resultatene presenteres her åpne en ny retning for å utnytte en verdifull tuning parameter i STM, samt andre spektroskopiske teknikker, både for tuning elektronisk egenskapene for inducing symmetri bryte i quantum materiale systemer.
Introduction
Høytemperatur-superleder i cuprates og jern-baserte superconductors er en spennende tilstand av quantum spørsmål1,2. En stor utfordring i forståelse superleder er ulike brutt symmetri stater, som elektroniske nematic og smectic faser (som bryter rotasjons- og translasjonsforskning symmetrier elektronisk statene), med lokalt sammenvevd natur superleder3,4,5,6,7. Manipulasjon og bevisst tuning av disse ødelagt symmetri statene er et avgjørende mål mot forstå og kontrollere superleder.
Kontrollert belastning, både uniaxial og biaxial, er en veletablert teknikk å tune kollektive elektronisk statene i kondensert saken systemer8,9,10,11,12, 13,14,15,16,17,18,19,20,21, 22. Denne rene tuning, er uten innføringen av lidelse gjennom kjemiske doping, vanlig i ulike typer eksperimenter for å tune bulk elektroniske egenskaper23,24,25,26 . For eksempel uniaxial Press har vist seg for å ha enorm effekt på superleder i Sr2RuO413 og cuprates27 og på strukturelle, magnetisk, og nematic fase overganger av jern-baserte superconductors 10 , 14 , 28 , 29 og ble nylig demonstrert i innstiller SmB624topologisk statene. Men har bruk av belastning i overflaten-sensitive teknikker, som STM og vinkel-løst photoemission spektroskopi (ARPES), vært begrenset til i situ dyrket tynne filmer på umake underlag26,30. Den store utfordringen med belastning gjelder enkelt krystaller overflaten-sensitive eksperimenter er behovet for å holde seg anstrengt prøvene i av beryllium vakuum (UHV). I de siste årene er en alternativ retning til epoxy en tynn prøve piezo stabler9,10,18,31 eller plater med annen koeffisientene til termisk ekspansjon19 ,32. Men i begge tilfeller er omfanget av anvendt belastningen ganske begrenset.
Her viser vi bruk av romanen uniaxial-belastning som tillater forskere å brygge en prøve (kompresjons belastning) uten begrensninger og samtidig visualisere overflaten strukturen med STM (se figur 1). Som et eksempel, bruker vi enkelt krystaller av Fe1 +yTe, hvor y = 0.10, den overordnede sammensatt av jern chalcogenide superconductors (y er overflødig konsentrasjonen). Under TN = ~ 60 K, Fe1 +yTe overganger fra en høy temperatur spinn tilstand i en lav temperatur antiferromagnetic tilstand med en bicollinear stripe magnetiske ordre26,33 ,34 (se figur 3A, B). Magnetisk overgangen er ytterligere ledsaget av en strukturell overgang fra tetragonal til monoclinic26,35. I-flyet AFM rekkefølgen danner detwinned domener med spin struktur peker lang b-retning orthorhombic struktur34. Ved å visualisere AFM ordren med spin-polarisert STM, vi undersøke domenestrukturen toveis i unstrained Fe1 +yTe prøver og observere deres overgang til en enkelt stor domenenavn under brukt press (se skjematisk i Figur 3 C-E). Disse eksperimentene viser vellykket overflaten tuning av enkelt krystaller med uniaxial-belastning enhet presenteres her, cleaving prøven, og samtidig avbilding av overflaten strukturen med skanning tunnelering mikroskopet. Figur 1 viser skjematisk tegninger og bilder av mekanisk belastning enheten.
Protocol
Representative Results
Discussion
Alle operasjoner må flytte prøvene til og innenfor STM utføres ved hjelp av sett med armen manipulators. STM vedlikeholdes ved lave temperaturer av flytende nitrogen og flytende helium og prøven kjøles ned i minst 12 h før kontaktet. Dette gjør utvalget og mikroskopet temperaturen å nå termisk likevekt. For å isolere elektrisk og akustisk støy, er STM plassert i en akustisk og radiofrekvens skjermet rom. Mikroskopet hodet er ytterligere suspendert fra kilder for optimalisert instrumental stabilitet. Eksempel s…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Pa anerkjenner støtte fra det amerikanske National Science Foundation (NSF) karriere under prisen. DMR-1654482. Materielle syntese ble utført med støtte fra den polske National 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 |
Riferimenti
- 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).
