Visualizando Uniaxial-tensão manipulação dos domínios antiferromagnéticas em Fe1 +YTe usando uma varredura de Spin-polarizado microscópio de tunelamento

Resumo

Usando a tensão uniaxial combinado com microscopia de tunelamento varredura spin-polarizada, podemos Visualizar e manipular a estrutura de domínio antiferromagnéticas de Fe_{1 + y}Te, o composto de supercondutores à base de ferro.

Resumo

A busca de compreender sistemas eletrônicos correlacionados empurrou as fronteiras de medições experimentais para o desenvolvimento de novas técnicas experimentais e metodologias. Aqui usamos um romance casa construída uniaxial-tensão dispositivo integrado na nossa temperatura variável microscópio encapsulamento que nos capacita a botija no plano tensão uniaxial em amostras de manipular e sondar sua resposta eletrônica na escala atômica. Usando microscopia de tunelamento (STM) com técnicas de rotação-polarização de varredura, visualizamos antiferromagnéticas domínios (AFM) e sua estrutura atômica em Fe_{1 +y}Te amostras, o composto de supercondutores à base de ferro, e demonstre como esses domínios respondem a deformação uniaxial aplicado. Observamos o bidirecional domínios AFM na amostra maiores alcanos homocíclicos tais, com um tamanho médio de domínio de ~ 50-150 nm, a transição para um único domínio unidirecional sob deformação uniaxial aplicado. Os resultados aqui apresentados abram uma nova direção para utilizar um parâmetro valioso sintonia em STM, bem como outras técnicas espectroscópicas, tanto para ajustar as propriedades eletrônicas quanto a indução da simetria em material sistemas quânticos.

Introdução

Supercondutividade de alta temperatura nos cupratos e supercondutores à base de ferro é um estado intrigante de quântica questão^1,2. Um grande desafio em supercondutividade de entendimento é a natureza entrelaçada localmente de vários Estados, simetria quebrada, como eletrônicos nemática e esmates fases (que quebram simetrias de rotação e translação dos Estados eletrônicos), com supercondutividade^3,4,5,6,7. Manipulação e afinação deliberada destes Estados de simetria quebrada é um objectivo-chave para compreender e controlar a supercondutividade.

Tensão controlada, uniaxial e biaxial, é uma técnica bem estabelecida para afinar os Estados eletrônicos coletivos em matéria condensada sistemas^{8,9,10,11,12, 13,14,15,16,17,18,19,20,21, 22}. Esta afinação é limpo, sem a introdução de desordem através de dopagem química, é comumente usado em vários tipos de experimentos para sintonizar em massa propriedades eletrônicas^23,24,25,26 . Por exemplo, pressão uniaxial tem-se revelado um imenso efeito sobre supercondutividade em Sr₂RuO₄¹³ e cupratos²⁷ e estruturais, magnéticas e transições de fase nemática de supercondutores à base de ferro ^{10 , 14 , 28 , 29} e demonstrou-se recentemente em Estados topológicos de SmB₆²⁴de sintonia. No entanto, o uso da estirpe em técnicas de superfície sensíveis, tais como STM e espectroscopia Fotoemissão ângulo-resolvido (ARPES), tem sido limitado a em filmes finos situ-cultivadas em substratos incompatíveis^26,30. O grande desafio com aplicação de tensão para monocristais em experimentos de superfície sensível é a necessidade de decompor as amostras tensas no ultra vácuo (UHV). Nos últimos anos, uma direção alternativa tem sido uma amostra fina em piezo pilhas^9,10,18,31 ou em placas com diferentes coeficientes de expansão térmica^{19 de epóxi ,32}. No entanto, em ambos os casos, a magnitude da tensão aplicada é bastante limitada.

Aqui vamos mostrar o uso de um dispositivo de uniaxial-tensão mecânico romance que permite que os pesquisadores de estirpe uma amostra (tensão de compressão) sem restrições e simultaneamente Visualizar sua estrutura de superfície usando STM (ver Figura 1). Como exemplo, usamos cristais de Fe_{1 +y}Te, onde y = 0,10, o composto de supercondutores de calcogênio o ferro (y é a concentração de ferro em excesso). Abaixo de T_N = K ~ 60, Fe_{1 +y}Te transições de um estado paramagnética de alta temperatura em um estado de baixa temperatura antiferromagnéticas com um bicollinear listra magnética ordem^{26,33 ,34} (ver Figura 3A, B). A transição magnética é ainda mais acompanhada por uma transição estrutural de tetragonal monoclínico^26,35. A ordem AFM no plano forma detwinned domínios com a estrutura de rotação apontando ao longo da longa b-direção da estrutura ortorrômbica³⁴. Visualizando a ordem AFM com STM spin-polarizada, podemos sondar a estrutura de domínio bidirecional em maiores alcanos homocíclicos tais Fe_{1 +y}Te amostras e observar a sua transição para um único domínio grande sob tensão aplicada (ver o diagrama esquemático em Figura 3 C-E). Essas experiências mostram que a superfície bem sucedida afinação dos cristais único utilizando o dispositivo de tensão uniaxial apresentado aqui, a clivagem da amostra e a imagem simultânea da sua estrutura de superfície com o microscópio de tunelamento. A Figura 1 mostra os desenhos esquemáticos e fotos do dispositivo esforços mecânicos.

Protocolo

Nota: O corpo em forma de U é feito de aço inoxidável 416-grade, que é dura e tem um baixo coeficiente de expansão térmica (CTE), ~9.9 μm/(m∙°C), em comparação com μm/(m∙°C) de ~17.3 de aço inoxidável 304-grade.

1. mecânico dispositivo uniaxial-tensão

1. Limpar o dispositivo em forma de U, os parafusos de micrômetro (1 – 72 correspondente a 72 rotações por polegada), os discos de mola de Belleville e a placa de base, por sonicating-los separadamente em acetona primeiro e em seguida em isopropanol, durante 20 minutos cada, em um sonicador de banho ultra-sônico. Isso remove quaisquer impurezas/partículas. Este processo deve efectuar-se no bairro.
2. Coza-os no forno por 15-20 min para se livrar de qualquer resíduo de água e para desgaseificar.
3. Usando uma lâmina de navalha afiada, enquanto observa um microscópio óptico, corte a Fe_{1 +Y}Te amostra ao tamanho, ou seja, 1 x 2 x 0,1 mm.
4. Montar as peças juntas, como mostrado na Figura 1, o primeiro painel. A abertura dentro do U é 1 mm e pode ser sintonizada menores ou grande por um par de parafusos de micrômetro localizados nas laterais do aparelho.

2. a aplicação da tensão

1. Em dois pratos separados, misture epóxi prata (H20E) e não condutivo epóxi (H74F) de acordo com as instruções na folha de dados de epóxi.
2. No dispositivo em forma de U, aplique uma camada fina de prata epóxi (H20E) para criar o contato elétrico e montar a amostra (de um tamanho de 1 x 2 mm x ~0.1 mm) com seu longo eixo orientado ao longo do eixo-b da amostra Te Fe_{1 +y} , sobre o dispositivo, através da abertura de 1 mm, como mostrado na Figura 1. Em um forno de convecção, Asse o dispositivo por 15 min a 120 ° C.
3. Cobri os dois lados da amostra com epóxi não condutora, para que a amostra é apoiada firmemente no dispositivo. Asse por 20 min a 100 ° C.
   1. Usando um microscópio óptico, examine a posição da amostra de todos os ângulos para verificar se há um alinhamento paralelo dos lados da amostra com a lacuna.
   2. Opcionalmente, lugar amostras dentro do fosso e imposto pelos H20E e H74F epóxi (Figura 1).
4. Sob um microscópio óptico, aplica tensão compressiva girando o parafuso micrométrico, observando a superfície da amostra.
   Nota: Aqui nós aplicamos uma tensão de 50°, mas isto pode ser modificado dependendo da quantidade de tensão a ser aplicado para a amostra. A pressão é transferida para a amostra por uma série de discos de mola de Belleville. Deve haver sem rachaduras ou flexão da amostra após a pressão é aplicada.
5. Dane-se o dispositivo na placa de base como mostrado na figura 1B.
   1. Aplique uma camada fina de prata epóxi (H20E) da placa de base para o dispositivo em forma de U para criar contacto eléctrico entre a amostra e a placa. Asse por 15 min a 120 ° C. Medir o contato elétrico usando um multímetro.
   2. Usando uma camada fina de cola epoxy não condutor H74F, Cole um post de alumínio (do mesmo tamanho que a amostra) para a amostra tensa, perpendicular ao plano de chicotada de AB. Coza o dispositivo montado por 20 min até o epóxi é curado.

3. transferência do dispositivo na cabeça de microscópio de tunelamento varredura

1. Transferir o dispositivo de coloração com a amostra e o post através da doca de carregamento do vácuo temperatura variável, ultra microscópio de tunelamento, para a câmara de análise (ver Figura 2A).
2. Usando um manipulador de braço, pare com o post de alumínio no ultra vácuo à temperatura ambiente, para expor uma superfície recém entalhada.
3. Transferir imediatamente o dispositivo (com a amostra tensa) in situ com um outro conjunto de manipuladores para a câmara de microscópio de tunelamento varredura e para microscópio cabeça (ver Figura 2B), que foi arrefecida até 9 K. realizar todos os experimentos no K. 9
4. Permitir que a amostra refrigerar para baixo durante a noite, antes de efectuar os passos seguintes.

4. realizar as experiências STM

1. Prepare as dicas Pt-Ir antes de cada experimento de emissão de campo em uma superfície de Cu (111) que tem sido tratada com várias rodadas de sputtering e recozimento.
2. Usando a tensão aplicada aos materiais piezoelétricos no microscópio por um controlador externo, mover o estágio de amostra para alinhar com a ponta, em seguida, siga por aproximar-se a amostra.
3. Uma vez que a ponta é alguns Å afastado da amostra e o encapsulamento atual está registrado no osciloscópio, tomar Eyesys no setpoint diferentes polarizações e correntes de setpoint.
   Nota: O microscópio de tunelamento é controlado pelo software e controlador fornecido pelo fabricante. Para a operação do microscópio, por favor consulte os manual do usuário/tutoriais (http://www.rhk-tech.com/support/tutorials/).

Resultados

Eyesys STM foram medidos no modo de corrente constante com um viés de setpoint-12 MEV aplicado para a amostra e um setpoint atual de-1.5 at coletados na ponta. Dicas pt-Ir foram utilizadas em todos os experimentos. Para atingir o STM spin-polarizada, a ponta de microscópio de tunelamento varredura tem que ser revestido com átomos magnéticos, que pode ser bastante desafiador. Neste caso de Fe_{1 +y}Te a estudar, a amostra em si fornece um meio simples de con...

Discussão

Todas as operações necessárias para mover as amostras para dentro e para dentro o STM são realizadas usando conjuntos de manipuladores de braço. O STM é mantido em baixas temperaturas por Hélio líquido e nitrogênio líquido, e a amostra esfria pelo menos 12 h antes de ser abordado. Isso permite que a temperatura da amostra e microscópio atingir o equilíbrio térmico. Para isolar o ruído elétrico e acústico, o STM é colocado em um quarto blindado de frequência de rádio e acústica. A cabeça do microscóp...

Materiais

Name	Company	Catalog Number	Comments
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