清華大學：鐵基高溫超導研究的最新成果

【成果簡介】

物理系助理教授李渭、陳曦教授和薛其坤教授在鐵基高溫超導體中條紋相的研究中獲得了重要進展。利用低溫掃描隧道顯微鏡他們對多層的硒化鐵薄膜進行了系統的表征，發現該體系中的電子在其電荷自由度與其自旋自由度相互耦合，形成了全新的條紋相。這一發現實現了鐵基高溫超導體中條紋相的首次實驗觀測，以“Stripes developed at the strong limit of nematicity in FeSe film”為題，在線發表在7月17日的Nature Physics上。

【圖文導讀】

圖1?MBE薄膜和FeSe的C₂結構域

a）FeSe晶體結構

b）FeSe薄膜的STM形貌圖像

c）雜質誘導的條紋相

圖2? 條紋附近雜質的偏置電壓的依賴關系

a-d）由不同偏置電壓獲得的四個啞鈴形雜質誘導的條紋的STM形貌

【研究內容】

近五年來，高溫超導研究最重要的進展之一是由我系薛其坤教授團隊開創的單層硒化鐵/鈦酸鍶(FeSe/STO)界面高溫超導電性的增強。FeSe作為該體系的“母相”，受到越來越多的關注。在低溫時FeSe的旋轉對稱性被打破，其電子行為在正交晶格的兩個方向表現出極大的不等價性(向列性，Nematicity)，如:電阻的各向異性、不同軌道電子能帶的大尺度劈裂以及實空間電子的二重對稱性等等。而Nematicty與超導的關系也一直是研究的熱點。FeSe的另一重要性質是其長程磁有序的缺失，這是鐵基高溫超導母體中的一個特例。有趣的是，加壓會使其長程反鐵磁關聯迅速恢復到鐵基超導體中常見的“共線”(Collinear)磁有序態。該體系中電荷、軌道、磁性與超導的關聯，使得FeSe成為一個理想的研究平臺，可用于揭示上述諸多復雜因素間的內在關系。

利用掃描隧道顯微鏡，李渭等人發現在FeSe薄膜中晶格對稱性被進一步破缺的區域，如：點缺陷周圍、相疇界處，會誘導出單向的條紋狀電荷密度調制(Stripe-type charge ordering)。值得注意的是，該調制對應全新的轉變溫度約60 K。這一特征溫度低于FeSe中向列序的相變溫度125 K。該相形成于Nematic轉變溫度以下，且FeSe薄膜中向列序的強度遠大于其在FeSe單晶中的強度，因此條紋相極有可能是作為向列相的基態存在著，這一發現為鐵基高溫超導理論研究提供了全新的思路和出發點。

紋相的周期與理論計算所預言的一個新的反鐵磁態(Stripy order)相一致。FeSe被外延生長到STO襯底上會引入額外的拉應力，這樣的調控可獲得FeSe壓力相圖在負壓時的寶貴信息。結合之前正壓力研究的結果，FeSe的壓力相圖可表述為：在常壓下，FeSe中的Collinear反鐵磁序與Stripy反鐵磁序相互競爭，表現為長程磁有序的缺失；在正壓下，Collinear反鐵磁序在競爭中獲勝；而在負壓下，體系的關聯性變強，Stripy反鐵磁序在競爭中獲勝，并在電荷通道誘導出電荷密度調制。該相圖完美解釋了FeSe體系中主要的幾個爭論，為研究超導與磁的相互作用提供了重要信息。

這項研究的合作者還包括美國斯坦福大學的沈志勛教授、路東輝研究員和北京大學的張焱助理教授。項目得到了國家自然科學基金委員會、科技部國家重點研發計劃和北京市優秀人才青年拔尖項目的資助。

原文鏈接：?http://www.tsinghua.edu.cn/publish/phy/10552/2017/20170718103005303405922/20170718103005303405922_.html

文獻鏈接：Stripes developed at the strong limit of nematicity in FeSe film（Nature Physics,2017,DOI:doi:10.1038/nphys4186）

本文由材料人編輯部Allen編輯，點我加入材料人編輯部。

材料測試，數據分析，上測試谷。