科學前沿2：單層FeSe薄膜中存在高達83K超導配對溫度的譜學證據

　　電子配對形成庫珀對和庫珀對實現長程相干是材料進入超導態的兩個必不可少的過程。在傳統超導體中，由于其超流密度高，電子配對與長程相干在相同的溫度下發生，相應的超導能隙打開溫度與超導臨界溫度一致，但是在超流密度較低的二維超導體如銅基化物高溫超導體中，電子配對溫度可能會高于相干溫度，產生預配對的行為，從而導致贗能隙的形成，這通常被認為與超導漲落相對應。在鐵基超導體中，是否存在類似預配對以及贗能隙的行為仍沒有形成共識，相關的研究和報道很少。單層FeSe/SrTiO3 (FeSe/STO）薄膜由于展現了潛在的高超導臨界溫度和獨特的電子結構而受到廣泛的關注和研究，但是對其超導臨界溫度的確定還存在著爭論。已有的電輸運和磁測量得到的超導臨界溫度(Tc)盡管存在差異，但大多數輸運測得的Tc (Tonset在40~50K)都明顯低于譜學上獲得的65 K能隙關閉溫度。這進而引申出與單層FeSe/STO薄膜相關的一系列重要問題，超導電子配對的溫度是多少，真正的超導轉變溫度是多少，是否存在贗能隙以及超導轉變溫度是否還能進一步提高。深入研究這些問題，對探索具有更高Tc的超導體以及理解鐵基高溫超導機理都具有極其重要的意義。

　　中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心超導國家重點實驗室周興江研究組的博士生徐煜、戎洪濤、吳定松以及王慶艷副研究員、趙林副研究員等，利用高分辨角分辨光電子能譜技術，對制備的高質量單層FeSe/STO超導薄膜進行了系統的電子結構和超導電性的研究，發現了單層FeSe/STO薄膜在83 K存在超導配對的譜學證據。

　　他們利用自行研制的分子束外延系統（MBE），通過優化薄膜制備條件，生長出了超高質量的單層FeSe/STO超導薄膜，從而使得他們在高分辨角分辨光電子能譜測量中，不僅能夠明顯地觀察到單層FeSe/STO中的能帶劈裂，而且首次觀察到由超導誘導的強烈的Bogoliubov回彎能帶，該回彎能帶甚至可以延伸到費米能級以下100 meV（圖1）。在角分辨光電子能譜測量中，超導有兩個顯著的譜學特征：一是在費米能級附近超導能隙的打開，另一個是超導誘導的Bogoliubov回彎能帶的形成。在單層FeSe/STO薄膜中觀察到強烈的Bogoliubov 回彎能帶，為研究其超導配對溫度提供了能隙之外的另一個新的更本征的譜學特征。

　　圖1. 在單層 FeSe/STO薄膜中觀測到明顯的能帶劈裂和強烈的Bogoliubov回彎能帶。

　　
他們的研究發現，對具有明顯能帶劈裂的單層FeSe/STO薄膜，傳統的通過譜線對稱獲取能隙的方法不再適用。他們采用一種新的分析方法，獲得了可靠的能隙以及費米能級附近譜重隨溫度的演變（圖2）。

　　圖2. 從圖1 Cut 1中的能譜曲線提取的能隙與相關譜重隨溫度的演化。

　　
特別是通過直接觀測和分析Bogoliubov回彎能帶，發現其可以持續到83K，為單層FeSe/STO薄膜在83 K存在超導配對提供了強有力的譜學證據（圖3）。

　　圖3. 圖1中沿Cut2的能帶結構、能譜曲線與相關譜重隨溫度的演化。

　　
通過分析單層FeSe/STO薄膜在超導配對溫區的譜學行為，他們進一步發現超導配對的溫區可以進一步劃分為 64-83 K和64 K以下兩個區域（圖4）。

　　圖4. 單層FeSe/STO薄膜中由溫度引起的各種變化總結劃分為三個溫度區域。

　　
這些結果表明，在單層FeSe/STO薄膜中存在高達83 K的超導配對溫度。對發現的兩個溫區的理解，目前有兩種可能性。一種是83K直接對應超導轉變溫度Tc；另一種則是64-83 K為預配對區域，存在超導漲落和贗能隙行為，而64K以下配對電子長程相干進入超導態。具體對應哪一種情形還需要進一步的實驗來確定。但無論是哪種可能性，都對鐵基超導體中高TCM的實現以及相關超導機理的理解有著十分重要的意義。

　　相關研究結果發表在近期的Nature Communications上，Yu Xu et al.， Spectroscopic evidence of superconductivity pairing at 83 K in single-layer FeSe/SrTiO3 films, Nature Communications 12, 2840 (2021)。上述研究工作獲得了國家自然科學基金委、科技部和中國科學院等的資助。

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　　https://www.nature.com/articles/s41467-021-23106-y

　　供稿：SC7組

　　編輯：觀山不易、yrLewis

發布時間：2021-06-10 21:45:19 來源：頭條網