[论文解读] 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 5

一句话总结

本研究通过弹性扫描隧道谱学（elasto-STM）技术，实现了对铁砷化物中单轴应变与电子向列性之间非线性耦合的可视化。通过在原子尺度上施加应变，作者发现向列涨落可在结构相变温度以上持续存在，且显著被应变增强，表明晶格畸变与电子序之间存在强非线性相互作用。

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.

研究动机与目标

• 研究机械应变与铁基超导体中电子向列性之间的相互作用。
• 探测典型铁砷化物相图中向列涨落的性质与范围。
• 确定应变是否在电子各向异性中诱导非线性响应，从而揭示隐藏的耦合机制。
• 建立晶格应变与电子向列序之间直接的原子尺度关联。
• 研究在过度掺杂区域中向列性的行为，该区域长程有序被抑制。

提出的方法

• 开发并实施弹性扫描隧道谱学（elasto-STM），以在原子分辨率下施加可调的单轴应变。
• 利用压电基底在铁砷化物样品中诱导受控的、各向异性的面内应变。
• 在不同应变条件下，通过扫描隧道谱学（STS）测量局域电子结构。
• 从微分电导谱中定量提取电子各向异性随施加应变的变化。
• 分析应变依赖的向列涨落幅度，以识别非线性耦合效应。
• 比较不同掺杂水平下的向列响应，包括过度掺杂区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 单轴应变如何影响铁砷化物中电子向列涨落的振幅？
• RQ2 向列涨落在正交相变温度以上能持续到何种程度？
• RQ3 是否存在晶格应变与电子向列性之间的非线性耦合？其量化方式为何？
• RQ4 向列响应如何随超导穹区演化，特别是在过度掺杂区域？
• RQ5 在原子尺度上，结构畸变与电子各向异性之间存在何种关系？

主要发现

• 向列涨落在远高于正交相变温度的高温区域仍能持续存在。
• 在长程向列序被抑制的过度掺杂区域，显著的向列涨落依然可被探测到。
• 单轴应变显著增强了向列涨落的振幅，表明存在明显的非线性耦合。
• 电子各向异性随施加应变非线性增加，表明晶格与电子自由度之间存在非平凡的相互作用。
• 原子分辨率测量证实，即使在缺乏长程有序的情况下，应变仍可直接调制电子向列响应。
• 观测到的非线性应变响应表明，晶格畸变并非仅仅是被动的指示物，而是电子向列性的主动驱动力。