JoVE Journal > Engineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Résultats
Discussion
Divulgations
Acknowledgements
Materials
References
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Ingénierie

להמחיש Uniaxial-זן מניפולציה של תחומים Antiferromagnetic ב Fe1 +YTe באמצעות מקוטב-ספין סריקתה מיקרוסקופ מינהור

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

Summary

באמצעות זן uniaxial בשילוב עם ספין-מקוטב מיקרוסקופ מינהור סריקה, אנו לדמיין במבנם antiferromagnetic תחום של Fe1 + yטה, למתחם של האב מבוססות ברזל superconductors.

Abstract

המסע להבין מערכות אלקטרוניות מתואם דחף את גבולות מדידות ניסיוני לקראת הפיתוח של שיטות וטכניקות ניסיוני חדש. כאן נשתמש הרומן בנוי הבית uniaxial-זן מכשיר משולב לתוך הטמפרטורה משתנה מיקרוסקופ מינהור המאפשרת לנו מכאנית ופיקודית לתמרן בתוך המטוס זן uniaxial דגימות, לחקור את תגובתם אלקטרונית את המשקל האטומי סורק. באמצעות סריקת מיקרוסקופ מינהור מנהור עם טכניקות ספין-קיטוב, עלינו לדמיין antiferromagnetic תחומים (AFM) ומבנה האטום שלהם בדגימות Fe1 +yTe, למתחם של האב מבוססות ברזל superconductors, ו מדגימים כיצד תחומים אלה מגיבים יישומית זן uniaxial. נתבונן הדו-כיווני של AFM תחומים בדוגמת unstrained, עם גודל ממוצע התחום של ~ 50-150 nm, המעבר חזרה מחשבים חד כיווני בודדת בלחץ uniaxial יישומית. הממצאים שהוצגו כאן פתח כיוון חדש כדי לנצל את פרמטר הכוונון יקר ב- STM, כמו גם טכניקות אחרות ספקטרוסקופיות, הן עבור כוונון המאפיינים אלקטרוניים עבור גרימת סימטריה שבירת במערכות גשמי קוונטית.

Introduction

מוליכות-על טמפרטורות גבוהות ב cuprates ו superconductors מבוססות ברזל היא מדינה מרתקת של הקוונטים חומר1,2. אתגר ההבנה למוליכות-על זה האופי שזורים זה בזה באופן מקומי של המדינות השונות סימטריה שבורה, כגון אלקטרונית nematic ו- smectic שלבים, (לשבור סימטריות הסיבוב והתרגום של הברית אלקטרוניים), עם מוליכות-על3,4,5,6,7. מניפולציה מכוונת כוונון של מדינות אלה סימטריה שבורה היא מטרת מפתח לקראת הבנה ושליטה מוליכות-.

זן מבוקרת, הן uniaxial והן biaxial, היא טכניקה ומבוססת לכוון הברית אלקטרונית קולקטיבית מעובה מערכות8,9,10,11,12, 13,14,15,16,17,18,19,20,21, 22. זה כוונון נקי, בלי כניסתה של הפרעה באמצעות סמים כימיים, הוא נפוץ בסוגים שונים של ניסויים לכוון בצובר תכונות אלקטרוניות23,24,25,26 . לדוגמה, לחץ uniaxial הוכיח את יש השפעה עצומה על מוליכות Sr2RuO413 ו- cuprates27 וכן על מבנה, מגנטי, ומעברי פאזה nematic של superconductors מבוססות ברזל 10 , 14 , 28 , 29 ולא הודגם לאחרונה ב כוונון ארצות טופולוגי של SmB624. עם זאת, השימוש של זן טכניקות משטח רגיש, כגון ה-STM וספקטרוסקופיה נפתרה-זווית photoemission (ARPES), כבר מוגבל בתוך תוצרת באתרו סרטים רזה על מצעים תואמים26,30. האתגר העיקרי עם החלת זן יחיד קריסטלים בניסויים על משטח רגיש הוא בצורך קליב הדגימות מאומצות בואקום על קוליים (UHV). בשנים האחרונות, כיוון חלופי כבר כדי אפוקסי מדגם דק piezo ערימות9,10,18,31 או על צלחות עם המקדמים שונים של הרחבה תרמי19 ,32. ובכל זאת בשני המקרים, סדר הגודל של המתח יישומית הוא מוגבל מאוד.

כאן אנחנו מדגימים את השימוש הרומן uniaxial-זן מכנית זה מאפשר לחוקרים זן מדגם (זן compressive) ללא הגבלות והמחש בו-זמנית מבנהו השטח באמצעות ה-STM (ראה איור 1). לדוגמה, אנו משתמשים גבישים יחיד של Fe1 +yTe, שבו y = 0.10, למתחם של האב superconductors chalcogenide הברזל (y הוא ריכוז עודפי ברזל). להלן TN = K ~ 60, Fe1 +yTe מעברים ממצב פאראמגנטיים טמפרטורה גבוהה למצב antiferromagnetic בטמפרטורה נמוכה עם bicollinear פס מגנטי סדר26,33 ,34 (ראה איור 3 א, ב’). המעבר מגנטי נוסף מלווה מעבר מבנית מ הטטרגונלית כדי המונוקלינית26,35. סדר AFM בתוך המטוס טפסים תחומים detwinned עם המבנה ספין הצבעה לאורך זמן b-כיוון מבנה האורתורומבית34. דמיין את סדר AFM עם ספין-מקוטב STM, אנחנו לחקור את מבנה תחום דו-כיווני בדגימות unstrained Fe1 +yTe ולבחון את המעבר שלהם לתוך מחשבים גדולה יחיד בלחץ יישומית (ראה התרשים ב- איור 3 ג-E). ניסויים אלה מראים כוונון משטח מוצלחת של הקריסטלים יחיד באמצעות המכשיר uniaxial-זן המובאים כאן, הכמיהה של המדגם, ההדמיה סימולטני של מבנהו משטח עם מיקרוסקופ מינהור סריקה. איור 1 מציג את סכמטית ציורים ותמונות של המכשיר מאמץ מכני.

Protocol

הערה: הגוף בצורת U עשוי פלדת אל-חלד 416-כיתה, נוקשות, יש מקדם נמוך של הרחבה תרמי (CTE), μm/(m∙°C) ~9.9, לעומת ~17.3 μm/(m∙°C) נירוסטה 304-כיתה. 1. מכנית uniaxial-זן לנקות את המכשיר בצורת פרסה, את הברגים מיקרומטר (1 – 72 תואם ל- 72 סבבים לאינץ), הדיסקים האביב בלוויל, ואת הבסיס על-ידי sonicating אותם בנפרד…

Representative Results

Topographs ה-STM נמדדו מתמדת במצב הנוכחי עם דעה קדומה setpoint של תהליך-12 שהוחלה על הדגימה ועל setpoint של נה הנוכחי של-1.5 שנאסף על הטיפ. טיפים Pt-Ir שימשו כל הניסויים. כדי להשיג STM מקוטב-ספין, הטיפ מיקרוסקופ מינהור סריקה צריך להיות מצופה עם אטומים מגנטי, אשר יכול להיות די מאתגר. במקרה זה של ה?…

Discussion

כל הפעולות הנדרשות כדי להזיז את הדגימות לתוך פנימה את ה-STM מתבצעות באמצעות ערכות של הזרוע סימולטורי. ה-STM נשמר בטמפרטורות נמוכות על-ידי חנקן נוזלי ו הליום נוזלי, המדגם יירגע במשך לפחות 12 שעות לפני להיות התקרב. דבר זה מאפשר הטמפרטורה ולדגום מיקרוסקופ להגיע שיווי משקל תרמי. כדי לבודד רעש חשמלי…

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

שליחויות מודה תמיכה מ ארה ב הלאומית למדע קרן (NSF) הקריירה תחת פרס לא. DMR-1654482. סינתזה של חומרים בוצע עם התמיכה של המענק ומרכז המדע הלאומית הפולנית לא 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

References

  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

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Citer Cet Article
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).
Télécharger la Citation
Réimpressions et Autorisations

View Video

✖

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

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image