《自然-通讯》报道物理系在界面高温超导增强机理的研究进展

 

 发现新的超导材料和理解高温超导机理是当今凝聚态物理研究的两个重要方向。2012年,物理系薛其坤教授团队发现了单层铁硒(FeSe)与钛酸锶(SrTiO3)衬底结合而演生出的界面高温超导,其超导能隙相比铁硒体材料提高了近十倍[《中国物理快报》(Chin. Phys. Lett.) 29, 037402 (2012)],是自1986年铜氧化物高温超导被发现以后第一个超导转变温度在液氮温区附近的高温超导体系,这一发现对国际超导领域产生了深远的学术影响,其界面增强超导效应得到广泛关注。随后的实验和理论研究表明,钛酸锶衬底对单层铁硒掺杂电子以及钛酸锶声子在高温超导中均扮演了重要角色。然而,人们对于钛酸锶如何对单层铁硒进行掺杂以及电子-声子耦合为何得到增强说法不一,缺乏判定性的实验。最近,物理系张定助理教授、王立莉副研究员、薛其坤教授与中科院大连化物所姜鹏研究员、包信和教授等合作,在该体系的超导机理的研究中取得进展。他们观察到了钛酸锶中能带弯曲导致的电荷转移以及强化的钛氧(Ti-O)键对电声耦合的增强作用,在解决该体系的高温超导机理方面走出了非常关键的一步。该工作以“钛酸锶上单层铁硒中的电荷转移及电声耦合增强的起源”(”Origin of charge transfer and enhanced electron-phonon coupling in single unit-cell FeSe films on SrTiO3”)为题,在线发表于8月9日的《自然-通讯》(Nature Communications)上。      

  在铁硒-钛酸锶体系中关于如何实现从钛酸锶衬底到单层铁硒膜的电荷转移是一个重要问题。此前,人们猜测是通过钛酸锶中大量的氧空位来实现的。然而,薛其坤教授带领团队近期发现,衬底中氧空位浓度的变化对超导能隙的调节作用十分有限 [《物理评论快报》(Phys. Rev. Lett.) 117, 067001 (2016)],表明电荷转移另有其因。在这个工作中,张定等人利用紫外光电子能谱(UPS)发现钛酸锶的功函数比铁硒小。由此推断,两种材料结合时电子会向功函数大的一侧发生转移,直到能带弯曲在结区建立电场而达到平衡。通过X射线光电子能谱仪(XPS),他们定量分析了钛酸锶中不同元素的深能级在铁硒生长前后的移动,确实观察到了这个能带弯曲的存在(如图1)。这表明,铁硒-钛酸锶作为一个异质结,在结区发生的能带弯曲是导致铁硒一侧电子浓度升高的主要原因。

 

图1:FeSe/SrTiO3体系的原子结构以及实验测定的能带弯曲的示意图

             

在该工作中,他们还首次观测到了样品由非超导态到超导态的演化过程中钛氧配对键(图1中高亮轨道)相对钛氧非配对键的增强现象,这反映了衬底中声子传输在进入超导态时获得了改善。这一观测不仅为电声耦合的增强过程提供了直接实验证据,而且还指出电声耦合增强与铁硒中富余的硒的脱附直接相关。实验发现的电声耦合在进入超导态后持续增强表明它是在电荷转移基础上进一步提高超导转变温度的关键因素。此外,他们还发现了铁硒层中深能级的元素选择性关联作用,这为研究铁基超导中的关联作用提供了新的启示。                      

大连化物所的张慧敏博士、清华大学物理系张定助理教授、大连化物所的陆晓伟为文章共同第一作者,王立莉副研究员和中科院大连化物所姜鹏研究员、包信和教授为共同通讯作者,清华大学物理系马旭村研究员、薛其坤教授参与了该研究的设计和指导。该工作得到了国家自然科学基金,低维量子物理国家重点实验室开放基金的支持。

文章全文链接:http://dx.doi.org/10.1038/s41467-017-00281-5