电子液晶相普遍存在于高温超导材料中，由于其与超导的关联和竞争，在凝聚态物理领域受到广泛关注。近日，我系李渭/薛其坤研究团队在双层硒化铁薄膜-钛酸锶（2 UC FeSe/STO）体系中发现了非公度的条纹型电子液晶相（Smectic phase），并揭示了其与单层硒化铁薄膜中高温超导增强的关系。该工作以“Incommensurate smectic phase in close proximity to the high-T_c superconductor FeSe/SrTiO₃”为题在线发表于4月13日的Nature Communications上。

图1 双层硒化铁薄膜的条纹型电子液晶相

单层硒化铁-钛酸锶的超导增强是高温超导研究的热点，之前的研究聚焦于衬底钛酸锶的作用，如提供电荷掺杂和额外的声子通道等。近年来，李渭等将关注点放在硒化铁材料本身，该材料自身的电子特异性对超导增强也将具有重要意义。2017年，该研究团队在Nature Physics上发表文章，揭示了在多层硒化铁薄膜的缺陷周围电子呈现出的短程条纹结构，这是体系对称性在缺陷处进一步破缺的结果。多层硒化铁薄膜中存在向列型电子液晶相 (Nematic phase)，其强度随薄膜厚度减小而增大。当薄膜厚度减小至单层极限时，其电子不再表现向列性，高温超导电性出现。然而，硒化铁薄膜中向列性、局域的电子条纹结构及其与单层高温超导态之间的关联仍不清楚。

将分子束外延生长与扫描隧道显微镜技术相结合，该研究团队实现了对硒化铁薄膜精确的层厚调控，并逐层研究了其电子结构。他们发现在双层硒化铁薄膜中存在着稀有的长程条纹型电子液晶相（如图1中箭头所示），而在双层薄膜的近邻：单层和三层中，均不存在该条纹相。因此，该条纹相位于高温超导相和电子向列相之间，这是对这三者关系的首次揭示。实验还表明，表面电子掺杂可抑制双层薄膜的条纹相，进而诱导出与单层薄膜中类似的超导态。通过比较掺杂诱导的双层和三层硒化铁薄膜的超导电性，他们发现双层薄膜的超导在相干性和能隙大小上都优于三层（如图2所示），这与在双层薄膜中广泛存在的条纹相密切相关。该研究团队认为，未掺杂的单层和双层硒化铁薄膜均处于条纹型电子液晶相这一基态，电荷掺杂会诱导出超导电性。在掺杂过程中，尽管长程的条纹相被抑制，但条纹相的电子涨落仍会进一步增强超导。该工作揭示了硒化铁薄膜在二维极限下电子结构的演化，并证明了硒化铁本身具有的条纹型液晶态涨落对高温超导的影响。

图2 双层和三层硒化铁中碱金属掺杂诱导的超导电性比较

清华大学物理系博士生袁永浩（2015级）为该文章的第一作者，博士生樊学敏和王心童也参与了实验。该研究得到了科技部、国家自然科学基金委员会、北京未来芯片技术高精尖创新中心、北京市优秀人才青年拔尖项目的资助。

文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-021-22516-2