近年来，SrTiO₃衬底上生长的单层 FeSe 薄膜的界面增强超导性引起了广泛研究。学界普遍认为界面电-声子耦合相互作用有助于增强电子配对，但其微观机制仍有待阐明，尚缺乏直接的实验验证。近日，清华大学物理系熊启华教授团队与南方科技大学薛其坤教授、清华大学物理系王立莉研究员团队、北京大学高鹏教授团队等合作，在单层FeSe/SrTiO₃薄膜超快动力学和电-声子耦合相互作用研究中取得重要进展，观测到FeSe/SrTiO₃界面电-声子耦合的直接证据，为理解FeSe/SrTiO₃界面超导增强的机制提供了新见解。

研究团队结合超快泵浦-探测光谱与扫描透射电子显微镜-电子能量损失谱（STEM-EELS）技术，将局域的界面声子模式与准粒子动力学联系起来，直接观测到局域于双层TiO_x截止面的4.2 THz的相干声子模式。光激发下，在外延FeSe和FeTe薄膜样品中均探测到一个4.2 THz的相干光学声子，但在相同的激发条件下，在SrTiO₃衬底上却没有探测到该声子（图1(a-c)）。STEM-EELS结果表明该声子模式源自双层TiO_x截止面中Ti和O离子的面外振动，这种振动通过产生可以穿透FeSe和FeTe层的动态偶极子来诱导界面电-声子耦合（图1(d-f)）。更重要的是，相比于FeTe/SrTiO₃界面体系，该声子的振幅强度在FeSe/SrTiO₃界面体系增强了两倍以上，这可能是由于TiO_x衬底对FeSe层更强的电子掺杂，有助于增强界面偶极子，从而导致界面电-声子耦合增强（图1(c),1(f)）。温度依赖动力学结果进一步表明单层FeSe/SrTiO₃独特的电子结构，以及界面电-声子耦合相互作用的鲁棒性（图1(g)）。该工作为FeSe/SrTiO₃薄膜的界面电-声子耦合提供了直接的实验证据，推动了界面超导增强机理的研究。

图1. 单层FeSe/SrTiO₃薄膜界面电-声子耦合相互作用的直接证据。(a) 超快泵浦-探测原理图。(b) 单层FeSe/SrTiO₃薄膜中相干声子色散对准粒子动力学的调制。 (c) 与15FeTe/NSTO和单独的NSTO相比，15FeTe/1FeSe/NSTO的相干声子振幅被显著增强。(d) 15FeTe/1FeSe/NSTO的STEM-HAADF图像。(e) 拟合残差表明15FeTe/1FeSe/NSTO界面出现了新的声子模式。(f) 从15FeTe/1FeSe/NSTO和15FeTe/NSTO中提取的界面声子谱线。(g) 相干声子振幅随温度的演化。

该研究成果以“Direct evidence of interfacial coherent electron-phonon coupling in single-unit-cell FeSe film on Nb-doped SrTiO₃”为题，于2025年9月18日在线发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）。北京量子信息科学研究院高级工程师张孟迪博士为论文的第一作者。北京量子信息科学研究院刘海云副研究员、清华大学物理系王立莉研究员和熊启华教授为共同通讯作者。论文合作者还包括北京大学高鹏教授、博士后时若晨，北京量子信息科学研究院吴蕊副研究员，中国科学技术大学张振宇教授，南方科技大学薛其坤教授等人。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的支持。

原文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/qxfc-khzf