復旦大學封東來、彭瑞Nat. Commun.：FeSe/SrTiO3界面超導增強的協同效應

Materials_1219 4年前 (2019-02-22) 8090瀏覽

【引言】

FeSe薄膜與SrTiO3（STO）襯底之間的界面超導，創造了界面增強超導轉變溫度（Tc）的記錄。相比于具有幾乎相同的費米面的同一類材料，FeSe/STO界面的超導Tc始終比同一體系的體材料的最高Tc高20-50％。單層FeSe和可極化襯底之間界面處的Tc增強效應，引起了對Tc增強機制的研究。但是這種界面增強機制目前仍然缺乏直接證據，包括界面上是否存在界面電子-聲子相互作用（EPI），及其與FeSe/STO中的高Tc是否存在相關性。更多的疑問包括：能帶結構中的復制帶是簡單的重整化dxy帶，還是源于界面電子-聲子耦合效應，光電子能譜中的復制帶的形成是與光電效應的初態相關，還是與實驗中射出的光電子有關等。界面EPI是否存在，以及其與超導的相關性仍存在很大爭議。分析該機制需要有效地操縱界面聲子，定量表征界面EPI和超導性，以及有效控制薄膜質量，迄今尚未實現。本文結合了高質量的FeSe/STO的薄膜生長，16O?18O同位素替代的界面調控及全面深入的角度分辨光電子能譜研究，對具有高質量和可控電子摻雜的樣品進行了超導能隙的定量分析。

【成果簡介】

近日，中國復旦大學的封東來和彭瑞（共同通訊）作者等人，結合高質量界面生長，16O?18O同位素替代，以及角分辨光電子能譜的大量數據，表明了FeSe/SrTiO3中的高Tc是源于FeSe中的配對機制以及FeSe電子和SrTiO3聲子之間耦合的協同作用。結果表明，不同Cooper配對通道之間的類似合作可能是理解和設計高溫超導體的一般框架。相關成果以“Evidence of cooperative effect on the enhanced superconducting transition temperature at the FeSe/SrTiO3 interface”為題發表在Nature Communications上。

【圖文導讀】

圖 1 聲子特征的同位素依賴性

（a）在SrTi16O3（ST16O）或SrTi18O3（ST18O）膜的60個單位晶胞上生長的單層FeSe膜的示意圖；

（b）高分辨率EELS的FeSe/ST16O（＃isotope_16）和FeSe/ST18O（＃isotope_18）的電子能量損失譜圖；

（c）沿著方向＃1的M點的光電子能譜和相對于能量的相應的二次微分譜；

（d）能量分布曲線（EDCs）的二階導數，反映了＃isotope_16和＃isotope_18的γ帶在動量位置kA和kB（相應的動量位置標示在（c）圖中）的結合能；

（e）ES，ES*，Ω1和Ω2與氧質量的平方根的倒數的函數關系；

（f）ES和ES*與氧質量的平方根的倒數的關系，及對其進行的過原點的線性擬合。

圖 2 FeSe厚膜和各種1 ML FeSe/ST16O樣品的復制帶強度

（a）不同樣品在費米能量處的光電子譜強度；

（b）沿圖（a）中截線方向的過M點的光電子譜；

（c）圍繞M的EDCs，用于強度分析的背景，扣除背景的光電子譜，以及相應的擬合。

圖 3 超導間隙變化圖

（a）電子口袋和各向異性超導能隙結構的示意圖，（插圖是樣品＃6的紅色正方形部分的放大光電子譜圖）；

（b）費米動量k1的不同樣品的EDCs與文獻中Tc = 60±5K的樣品EDCs的比較圖；

（c）k1處對稱化EDCs和超導能隙擬合圖；

（d）是圖（c）數據和擬合曲線的放大圖表明超導能隙變化；

（e，f）動量k2處的EDCs和超導能隙Δ2。

圖 4 超導能隙與界面電子-聲子耦合強度的關系

超導能隙尺寸（a）Δ1和（b）Δ2與復制帶γ'和主帶γ之間的強度比的關系（插圖是超導能隙尺寸與電子摻雜的關系）。

【小結】

本文結合了高質量的FeSe/STO的薄膜生長，16O?18O同位素替代的界面調控及全面深入的角分辨光電子能譜研究，對高質量和可控摻雜的樣品進行了超導能隙的定量分析。確定了界面EPI的存在，證明了超導配對強度與界面EPI強度之間存在顯著的相關性，這與BCS圖像有很大不同，為評估現有理論提供了嚴格的標準。

文獻鏈接：Evidence of cooperative effect on the enhanced superconducting transition temperature at the FeSe/SrTiO3 interface（Nature Communications, 2019, DOI: 10.1038/s41467-019-08560-z）。

本文由材料人編輯部張金洋編譯整理。

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