[論文レビュー] Visualizing the Nonlinear Coupling between Strain and Electronic Nematicity in the Iron Pnictides by Elasto-Scanning Tunneling Spectroscopy

Erick F. Andrade, Ayelet Notis Berger+8 more|arXiv (Cornell University)|Dec 13, 2018

Iron-based superconductors research参考文献 3被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、鉄ヒ素化物における一軸ひずみと電子ネミック秩序の非線形結合を可視化するため、エラストスキャントンネル分光法を導入する。原子スケールでひずみを印加することで、著者らはネミック揺動が構造的転移温度よりもはるかに高い温度でも持続しており、ひずみによって強く増幅されることを明らかにした。これは、格子歪みと電子秩序の間で強固な非線形相互作用が存在することを示唆している。

ABSTRACT

Mechanical strain is a powerful technique for tuning electronic structure and interactions in quantum materials. In a system with tetragonal symmetry, a tunable uniaxial in-plane strain can be used to probe nematic correlations in the same way that a tunable magnetic field is used to probe magnetic correlations. Here, we present a new spectroscopic scanned probe technique that provides atomic-resolution insight into the effect of anisotropic strain on the electronic structure. We use this technique to study nematic fluctuations and nematic order across the phase diagram of a prototypical iron-based superconductor. By extracting quantitatively the electronic anisotropy as function of applied strain, we show that while true long range nematic order is established at the tetragonal to orthorhombic structural transition temperature, sizable nematic fluctuations persist to high temperatures and also to the overdoped end of the superconducting dome. Remarkably, we find that uniaxial strain in the pnictides significantly enhances the amplitude of the nematic fluctuations, indicating a strong nonlinear coupling between structure and electronic nematicity.

研究の動機と目的

• 鉄系超伝導体における機械的ひずみと電子ネミック秩序の相乗作用を調査すること。
• 代表的な鉄ヒ素化物の相図全域におけるネミック揺動の性質と広がりを解明すること。
• ひずみが電子異方性に非線形応答を引き起こすかどうかを特定し、隠れた結合を明らかにすること。
• 格子ひずみと電子ネミック秩序の間の直接的かつ原子スケールの関係を確立すること。
• 長距離秩序が抑制される過ドーピング領域におけるネミック秩序の挙動を検討すること。

提案手法

• 原子スケールで調整可能な一軸ひずみを印加可能なエラストスキャントンネル分光法（elasto-STM）の開発と実装。
• ペロブスカイト型圧電基板を用いて、鉄ヒ素化物試料における制御可能な異方的面内ひずみを誘発すること。
• さまざまなひずみ条件下での局所的電子構造をスキャントンネル分光法（STS）で測定すること。
• 印加ひずみ関数としての微分伝導度スペクトルからの電子異方性の定量的抽出。
• ひずみ依存のネミック揺動振幅の分析により、非線形結合効果を同定すること。
• ドーピングレベルの異なる領域、特に過ドーピング領域におけるネミック応答の比較。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 一軸ひずみは、鉄ヒ素化物における電子ネミック揺動の振幅にどのように影響するか？
• RQ2 ネミック揺動は、テトラゴナルから正方晶への構造的転移温度よりも高い温度までどの程度持続するか？
• RQ3 格子ひずみと電子ネミック秩序の間に非線形結合が存在するか。その定量的評価はどのように行えるか？
• RQ4 ネミック応答は超伝導ドーム全域でどのように変化するか。特に過ドーピング領域でどうなるか？
• RQ5 原子スケールで、構造的歪みと電子異方性の関係は何か？

主な発見

• ネミック揺動は、テトラゴナルから正方晶への転移温度よりもはるかに高い温度でも持続する。
• 長距離ネミック秩序が存在しない過ドーピング領域においても、顕著なネミック揺動が検出可能である。
• 一軸ひずみはネミック揺動の振幅を強く増幅し、顕著な非線形結合を示している。
• 電子異方性は印加ひずみに非線形的に増加し、格子自由度と電子自由度の非自明な相互作用を示唆している。
• 原子スケールの測定により、長距離秩序が存在しない状態でも、ひずみが直接的に電子ネミック応答を変調することが確認された。
• 観察された非線形ひずみ応答は、格子歪みが単なる受動的指標ではなく、電子ネミック秩序の駆動要因である可能性を示唆している。