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，中国复旦大学的封东来和彭瑞（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】

图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k_A和k_B（相应的动量位置标示在（c）图中）的结合能；

（e）E_S，E_S^*，Ω₁和Ω₂与氧质量的平方根的倒数的函数关系；

（f）E_S和E_S^*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。

图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。

图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。

图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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