复旦大学封东来、彭瑞Nat. Commun.:FeSe/SrTiO3界面超导增强的协同效应


【引言】

FeSe薄膜与SrTiO3(STO)衬底之间的界面超导,创造了界面增强超导转变温度(Tc)的记录。相比于具有几乎相同的费米面的同一类材料,FeSe/STO界面的超导Tc始终比同一体系的体材料的最高Tc高20-50%。单层FeSe和可极化衬底之间界面处的Tc增强效应,引起了对Tc增强机制的研究。但是这种界面增强机制目前仍然缺乏直接证据,包括界面上是否存在界面电子-声子相互作用(EPI),及其与FeSe/STO中的高Tc是否存在相关性。更多的疑问包括:能带结构中的复制带是简单的重整化dxy带,还是源于界面电子-声子耦合效应,光电子能谱中的复制带的形成是与光电效应的初态相关,还是与实验中射出的光电子有关等。界面EPI是否存在,以及其与超导的相关性仍存在很大争议。分析该机制需要有效地操纵界面声子,定量表征界面EPI和超导性,以及有效控制薄膜质量,迄今尚未实现。本文结合了高质量的FeSe/STO的薄膜生长,16O↔18O同位素替代的界面调控及全面深入的角度分辨光电子能谱研究,对具有高质量和可控电子掺杂的样品进行了超导能隙的定量分析。

【成果简介】

近日,中国复旦大学封东来彭瑞(共同通讯)作者等人,结合高质量界面生长,16O↔18O同位素替代,以及角分辨光电子能谱的大量数据,表明了FeSe/SrTiO3中的高Tc是源于FeSe中的配对机制以及FeSe电子和SrTiO3声子之间耦合的协同作用。结果表明,不同Cooper配对通道之间的类似合作可能是理解和设计高温超导体的一般框架。相关成果以Evidence of cooperative effect on the enhanced superconducting transition temperature at the FeSe/SrTiO3interface”为题发表在Nature Communications上。

【图文导读】

1声子特征的同位素依赖性

(a)在SrTi16O3(ST16O)或SrTi18O3(ST18O)膜的60个单位晶胞上生长的单层FeSe膜的示意图;

(b)高分辨率EELS的FeSe/ST16O(#isotope_16)和FeSe/ST18O(#isotope_18)的电子能量损失谱图;

(c)沿着方向#1的M点的光电子能谱和相对于能量的相应的二次微分谱;

(d)能量分布曲线(EDCs)的二阶导数,反映了#isotope_16和#isotope_18的γ带在动量位置kA和kB(相应的动量位置标示在(c)图中)的结合能;

(e)ES,ES*,Ω1和Ω2与氧质量的平方根的倒数的函数关系;

(f)ES和ES*与氧质量的平方根的倒数的关系,及对其进行的过原点的线性拟合。

2 FeSe厚膜和各种1 ML FeSe/ST16O样品的复制带强度

(a)不同样品在费米能量处的光电子谱强度;

(b)沿图(a)中截线方向的过M点的光电子谱;

(c)围绕M的EDCs,用于强度分析的背景,扣除背景的光电子谱,以及相应的拟合。

3超导间隙变化图

(a)电子口袋和各向异性超导能隙结构的示意图,(插图是样品#6的红色正方形部分的放大光电子谱图);

(b)费米动量k1的不同样品的EDCs与文献中Tc = 60±5K的样品EDCs的比较图;

(c)k1处对称化EDCs和超导能隙拟合图;

(d)是图(c)数据和拟合曲线的放大图表明超导能隙变化;

(e,f)动量k2处的EDCs和超导能隙Δ2

4超导能隙与界面电子-声子耦合强度的关系

超导能隙尺寸(a)Δ1和(b)Δ2与复制带γ'和主带γ之间的强度比的关系(插图是超导能隙尺寸与电子掺杂的关系)。

【小结】

本文结合了高质量的FeSe/STO的薄膜生长,16O↔18O同位素替代的界面调控及全面深入的角分辨光电子能谱研究,对高质量和可控掺杂的样品进行了超导能隙的定量分析。确定了界面EPI的存在,证明了超导配对强度与界面EPI强度之间存在显著的相关性,这与BCS图像有很大不同,为评估现有理论提供了严格的标准。

文献链接:Evidence of cooperative effect on the enhanced superconducting transition temperature at the FeSe/SrTiO3interface(Nature Communications, 2019, DOI: 10.1038/s41467-019-08560-z)。

本文由材料人编辑部张金洋编译整理。

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