[논문 리뷰] Visualizing the Nonlinear Coupling between Strain and Electronic Nematicity in the Iron Pnictides by Elasto-Scanning Tunneling Spectroscopy

Erick F. Andrade, Ayelet Notis Berger외 8명|arXiv (Cornell University)|2018. 12. 13.

Iron-based superconductors research참고 문헌 3인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 철 페라이트에서 축방향 응력과 전자 네미틱 상태 간의 비선형 결합을 시각화하기 위해 탄성 스캐닝 턨널링 스펙트로스코피를 도입한다. 원자 해상도에서 응력을 적용함으로써 저자들은 네미틱 플럭투에이션이 구조 전이 온도보다 훨씬 높은 온도에서도 지속되며, 응력에 의해 강하게 증폭됨을 밝혀내어, 격자 비틀림과 전자 질서 사이에 강건한 비선형 상호작용이 있음을 시사한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 철기반 초전도체에서 기계적 응력과 전자 네미틱 상태 간의 상호작용을 조사하기 위해.
• 모범적인 철 페라이트의 상도표 전역에서 네미틱 플럭투에이션의 성격과 범위를 탐색하기 위해.
• 응력이 전자 이방성에 비선형 반응을 유도하는지 확인하고 숨겨진 결합을 드러내기 위해.
• 격자 응력과 전자 네미틱 질서 사이에 직접적인 원자 스케일의 연결 고리를 확립하기 위해.
• 장거리 질서가 억제되는 과다 doping 영역에서 네미틱 상태의 거동를 검토하기 위해.

제안 방법

• 조절 가능한 축방향 응력을 원자 해상도에서 가할 수 있도록 개발 및 구현한 탄성 스캐닝 터널링 스펙트로스코피(elasto-STM)의 개발.
• 철 페라이트 시료에 비틀림을 유도하기 위해 폴리제렉트릭 기판을 사용하여 제어 가능한 이방성 평면 응력을 유도.
• 다양한 응력 조건에서 스캐닝 터널링 스펙트로스코피(STM)를 통해 국소 전자 구조 측정.
• 적용된 응력에 따른 미분 도전도 스펙트럼에서 전자 이방성의 정량적 추출.
• 응력에 따른 네미틱 플럭투에이션 진폭 분석을 통해 비선형 결합 효과 식별.
• 과다 doping 영역 포함, 다양한 도핑 수준에서 네미틱 반응 비교.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 축방향 응력은 철 페라이트에서 전자 네미틱 플럭투에이션의 진폭에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 네미틱 플럭투에이션은 테트라고날에서 오르토로브릭 구조 전이 온도 이상에서도 얼마나 오래 지속되는가?
• RQ3 격자 응력과 전자 네미틱 상태 사이에 비선형 결합이 존재하는가? 그리고 그는 어떻게 정량화되는가?
• RQ4 초전도 도메인 전역에서 네미틱 반응은 어떻게 변화하는가? 특히 과다 doping 영역에서 어떻게 되는가?
• RQ5 원자 스케일에서 구조적 비틀림과 전자 이방성 간의 관계는 무엇인가?

주요 결과

• 네미틱 플럭투에이션은 테트라고날에서 오르토로브릭 전이 온도보다 훨씬 높은 온도에서도 지속된다.
• 장거리 네미틱 질서가 없는 과다 doping 영역에서는 여전히 상당한 네미틱 플럭투에이션이 감지될 수 있다.
• 축방향 응력은 네미틱 플럭투에이션의 진폭을 강하게 증폭시키며, 뚜렷한 비선형 결합을 보여준다.
• 전자 이방성은 적용된 응력에 따라 비선형적으로 증가하며, 격자와 전자 자유도 사이에 비트리비얼한 상호작용이 있음을 시사한다.
• 원자 해상도 측정을 통해 응력이 장거리 질서가 없더라도 전자 네미틱 반응을 직접 조절함을 확인하였다.
• 관측된 비선형 응력 반응은 격자 비틀림이 단순한 수단이 아니라 전자 네미틱 상태의 주요 원동력임을 시사한다.