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

Visualiseren van eenassige-stam manipulatie van Antiferromagnetic domeinen in Fe1 +YTe gebruiken een Spin-gepolariseerde Scanning Tunneling Microscoop

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

Summary

Met eenassige stam gecombineerd met de spin-gepolariseerde scanning tunneling microscopie, wij visualiseren en manipuleren van de antiferromagnetic domeinstructuur van Fe1 + yTe, de bovenliggende compound van ijzer gebaseerde supergeleiders.

Abstract

De zoektocht naar begrijpen gecorreleerde elektronische systemen heeft duwde de grenzen van experimentele metingen naar de ontwikkeling van nieuwe experimentele technieken en methoden. Hier gebruiken we een nieuwe huis-gebouwde eenassige-stam apparaat geïntegreerd in onze variabele temperatuur scanning tunneling microscopy waarmee we kunnen controllably manipuleren in-plane eenassige stam in monsters en hun elektronische reactie op de atoomschaal sonde. Met behulp van scanning tunneling microscopie (STM) met draai-polarisatie technieken, wij visualiseren antiferromagnetic (AFM) domeinen en hun atoomstructuur in Fe1 +yTe monsters, de bovenliggende compound van ijzer gebaseerde supergeleiders, en demonstreren hoe deze domeinen reageren op toegepaste eenassige stam. We observeren de bidirectionele AFM domeinen in de ongedwongen steekproef, met een gemiddelde domein grootte van ~ 50-150 nm, tot de overgang naar één unidirectionele domein onder toegepaste eenassige stam. De bevindingen hier open een nieuwe richting voor het gebruik van een waardevolle tuning parameter in STM, evenals andere spectroscopische technieken, zowel voor het afstemmen van de elektronische eigenschappen wat betreft inducerende symmetriebreking in materiële kwantumsystemen.

Introduction

Hoge-temperatuur supergeleiding in cupraten en ijzer gebaseerde supergeleiders is een intrigerende staat voor quantum zaak1,2. Een belangrijke uitdaging in begrip supergeleiding is het lokaal met elkaar verweven karakter van verschillende staten van de gebroken symmetrie, zoals elektronische nematic en smectic fasen (die breken rotatie- en translationeel symmetrieën van de elektronische Staten), met supergeleiding3,4,5,6,7. Manipulatie en opzettelijke afstemming van deze Staten gebroken symmetrie is een essentiële doelstelling naar inzicht in en beheersing van supergeleiding.

Gecontroleerde spanning, zowel eenassige versnellingsmeters en biaxial, is een gevestigde techniek om af te stemmen op de collectieve elektronische Staten in gecondenseerde materie systemen8,9,10,11,,12, 13,14,15,16,17,18,19,20,21, 22. Deze schone tuning, wordt zonder de invoering van wanorde door chemische doping, vaak gebruikt in allerlei experimenten om af te stemmen bulk elektronische eigenschappen23,24,25,26 . Bijvoorbeeld, heeft eenassige druk bewezen een enorm effect op de supergeleiding in Sr2RuO413 en cupraten27 en op de structurele, magnetische, en nematic fase-overgangen van ijzer gebaseerde supergeleiders 10 , 14 , 28 , 29 en werd onlangs aangetoond bij het afstemmen van de topologische Staten van SmB624. Het gebruik van stam in oppervlakte-gevoelige technieken, zoals STM en hoek-opgelost photoemission spectroscopie (CEVENNEN), is echter beperkt tot in situ-gegroeid dunne lagen op niet-overeenkomende substraten26,30. De grote uitdaging met stam op enkele kristallen in het oppervlak-gevoelige experimenten toe te passen is de noodzaak om te klieven van de gespannen monsters in met vacuüm (UHV). In de afgelopen jaren, is een alternatieve richting geweest om de epoxy een dunne monster op piezo stapels9,10,18,31 of platen met verschillende coëfficiënten van thermische uitzetting19 ,–32. Maar in beide gevallen is de omvang van de toegepaste spanning vrij beperkt.

Hier tonen we het gebruik van een nieuwe mechanische eenassige-stam apparaat waarmee onderzoekers een steekproef (druksterkte stam) zonder beperkingen van de stam en gelijktijdig visualiseren de oppervlakte structuur met behulp van STM (Zie Figuur 1). Als voorbeeld, gebruiken we enkele kristallen van Fe1 +yTe, waar y = 0,10, de samenstelling van de ouder van de ijzeren Chalcogeniden supergeleiders (y is het overtollige ijzer-concentratie). Onder TN = ~ 60 K, Fe1 +yTe overgangen van een hoge-temperatuur-paramagnetisch staat in een lage temperatuur antiferromagnetic staat met een bicollinear stripe magnetische volgorde26,33 ,34 (Zie figuur 3A, B). De magnetische overgang verder vergezeld gaat van een structurele overgang van tetragonale monoklien26,35. De volgorde van de AFM in-plane vormt detwinned domeinen met de structuur van de spin wijzen langs de lange b-richting van de orthorhombisch structuur34. Door het visualiseren van de volgorde van de AFM met spin-gepolariseerde STM, we sonde de bidirectionele domeinstructuur in ongedwongen Fe1 +yTe monsters en hun overgang naar één grote domein onder toegepaste spanning observeren (Zie het schema in Figuur 3 C-E). Deze experimenten tonen aan de succesvolle oppervlakte afstemming van de enkele kristallen met behulp van het eenassige-stam apparaat gepresenteerd hier, het splijten van het monster, en de gelijktijdige beeldvorming van de oppervlakte structuur met de scanning tunneling microscoop. Figuur 1 toont de schematische tekeningen en foto’s van de mechanische spanning-apparaat.

Protocol

Opmerking: Het U-vormige lichaam is gemaakt van 416-grade roestvrij staal, die is stijf en heeft een lage uitzettingscoëfficiënt thermische (CTE), ~9.9 μm/(m∙°C), in vergelijking met ~17.3 μm/(m∙°C) voor 304 kwaliteit RVS. 1. mechanische eenassige-stam apparaat Reinig het apparaat van U-vormige, de schroeven van de micrometer (1 / 72 overeenkomend met 72 rotaties per inch), de Belleville voorjaar schijven en de grondplaat door sonicating hen afzonderlijk in aceton eerst en …

Representative Results

STM topographs werden gemeten in constante huidige modus met een setpoint bias van-12 meV toegepast op het monster en een setpoint huidige van-1.5 NB verzameld op het puntje. PT-Ir tips werden gebruikt in alle experimenten. Om te bereiken spin-gepolariseerde STM, moet de scanning tunneling microscoop tip worden bekleed met magnetische atomen, die kan heel uitdagend zijn. In dit geval van Fe1 +yTe studeren, biedt het monster zelf een eenvoudige manier om dit …

Discussion

Alle handelingen die nodig zijn om de monsters te verplaatsen naar en binnen de STM worden uitgevoerd met behulp van sets van arm manipulatoren. De STM wordt onderhouden bij lage temperaturen door vloeibare stikstof en vloeibare helium, en het monster afkoelt voor ten minste 12 uur voordat het wordt benaderd. Hierdoor is de temperatuur van het monster en Microscoop thermisch evenwicht bereiken. Elektrische en akoestische geluid isoleren, wordt de STM geplaatst in een akoestische en radiofrequentie afgeschermde kamer. Het…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

P.A. erkent steun van de Amerikaanse National Science Foundation (NSF) carrière onder award Nee. DMR-1654482. Materiële synthese werd uitgevoerd met de steun van de Poolse nationale wetenschapscentrum subsidie 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
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
Cite This 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).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

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

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image