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物理所發(fā)現(xiàn)單層FeSe/SrTiO3中Lifshitz相變誘導(dǎo)超導(dǎo)增強(qiáng)

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物理所發(fā)現(xiàn)單層FeSe/SrTiO3中Lifshitz相變誘導(dǎo)超導(dǎo)增強(qiáng)

摘要: 　　自從單層FeSe/SrTiO3界面增強(qiáng)超導(dǎo)【Chin. Phys. Lett. 29， 037402 (2012)】被發(fā)現(xiàn)以來，其超導(dǎo)機(jī)理被人們廣泛關(guān)注。相比FeSe體材料，單層膜的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度提高了5倍以上。與此對(duì)應(yīng)的，鐵硫族超導(dǎo)體AxFe2-xSe2和 ...

　　自從單層FeSe/SrTiO3界面增強(qiáng)超導(dǎo)【Chin. Phys. Lett. 29， 037402 (2012)】被發(fā)現(xiàn)以來，其超導(dǎo)機(jī)理被人們廣泛關(guān)注。相比FeSe體材料，單層膜的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度提高了5倍以上。與此對(duì)應(yīng)的，鐵硫族超導(dǎo)體AxFe2-xSe2和電子摻雜的塊材FeSe，同樣都有相對(duì)FeSe單晶更高的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度，且都沒有空穴型費(fèi)米面，這表明費(fèi)米面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改變（Lifshitz相變）可能會(huì)提高超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度。其中使費(fèi)米面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改變的一個(gè)重要因素就是電子摻雜。因此很自然地想到，如果在本身具有高電子摻雜的單層FeSe/SrTiO3 (STO)上繼續(xù)進(jìn)行電子摻雜，其超導(dǎo)的相關(guān)性質(zhì)又將怎么變化？
　　近期，中國科學(xué)院物理學(xué)習(xí)所/北京凝聚態(tài)物理國家實(shí)驗(yàn)室（籌）極端條件物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室Ex7組博士生施訓(xùn)（現(xiàn)為博士后）、博士生韓智卿（中國人民大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)生）、副學(xué)習(xí)員孫煜杰和學(xué)習(xí)員丁洪等，利用原位分子束外延——角分辨光電子能譜聯(lián)合系統(tǒng)，系統(tǒng)地學(xué)習(xí)了不同電子摻雜濃度對(duì)FeSe/STO單層膜超導(dǎo)性質(zhì)的影響（圖1），首次獲得了高摻雜濃度的單層FeSe能帶結(jié)構(gòu)和超導(dǎo)性相圖，發(fā)現(xiàn)了新的Lifshitz相變并伴隨著超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的跳變。理論計(jì)算局部由吳賢新和胡江平完成。
　　學(xué)習(xí)發(fā)現(xiàn)在單層FeSe/SrTiO3 (STO)上通過生長(zhǎng)鉀使電子摻雜濃度x 從0.164 升高到0.208，再繼續(xù)生長(zhǎng)第二次（x = 0.212），第三次（x = 0.214）鉀電子濃度基本保持不變趨于飽和，如圖2所示。從FS及MDCs上可以看出，在第二次蒸鉀x = 0.212后 Γ點(diǎn)出現(xiàn)強(qiáng)度，這種變化意味著系統(tǒng)趨于一種Lifshitz相變。這種相變出現(xiàn)了電子型口袋，區(qū)別于之前了解的空穴型口袋消失導(dǎo)致的相變。為了進(jìn)一步了解此電子型口袋的強(qiáng)度來源，利用不同的光子能量進(jìn)行ARPES測(cè)量并和計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，該強(qiáng)度來自于Se 4pz 和Fe 3dxy的雜化軌道，如圖3所示。在超導(dǎo)性質(zhì)方面，當(dāng)蒸鉀至Γ點(diǎn)出現(xiàn)強(qiáng)度的同時(shí)其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度也相應(yīng)提高了15 K，如圖4所示。M點(diǎn)附近的超導(dǎo)能隙是各向同性的，大小約15 meV，Γ點(diǎn)處的電子型口袋也有類似的15 meV的能隙特征。
　　圖1總結(jié)了FeSe關(guān)于電子摻雜濃度的相圖，電子摻雜濃度在x = 0.04 — x = 0.22之間，經(jīng)歷了兩種Lifshitz相變。在第一種相變下，Γ點(diǎn)附近的空穴型FS口袋(dxz/dyz)消失，超導(dǎo)性質(zhì)突然增強(qiáng)。在第二次相變下，Γ點(diǎn)附近的電子型FS口袋(dxy/pz )出現(xiàn)，超導(dǎo)性質(zhì)又突然增強(qiáng)。以上現(xiàn)象表明超導(dǎo)增強(qiáng)和軌道相關(guān)，超導(dǎo)的配對(duì)機(jī)制也應(yīng)該是軌道依賴的。
　　相關(guān)學(xué)習(xí)結(jié)果發(fā)表在近期的自然-通訊（Nature Communications 8，14988 （2017））上。學(xué)習(xí)工作獲得了中國科學(xué)技術(shù)部國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2015CB921000， 2015CB921301，2016YFA0401000， 2016YFA0300300)、國家自然科學(xué)基金（11574371， 11274362， 1190020， 11334012， 11274381， 11674371）、中科院先導(dǎo)B項(xiàng)目的資助。
　　文章鏈接



　　圖1. 相圖表明FeSe的超導(dǎo)和FS拓?fù)湫再|(zhì)。虛線代表可能的外延結(jié)果。



　　圖2. a，未蒸鉀的樣品T = 20 K費(fèi)米能級(jí)附近 ±10 meV的FS。b-d， 分別是蒸鉀第一次，第二次，第三次后的FS。e， 沿高對(duì)稱線上的MDC。f， 對(duì)比a-d的FS。



　　圖3. a-b， 和 M附近T = 14 K蒸鉀過程中的ARPES強(qiáng)度圖。c， 分別是a在T = 70 K除FD分布的強(qiáng)度圖。e， 樣品2用He II光測(cè)量的Γ點(diǎn)附近的強(qiáng)度圖。d， 對(duì)比用He Iα和He II光測(cè)量的Γ附近的EDCs。f， 計(jì)算的Fe 3d， Se 4p 和K 4s的原子光電離橫截面。g， 蒸鉀過程中沿高對(duì)稱線Γ-M方向能帶變化的示意圖。



　　圖4. a-c， 未蒸鉀和蒸鉀后的1UC FeSe/STO，M點(diǎn)的電子型FS在 kF點(diǎn)的隨溫度依賴的對(duì)稱化的EDCs。d-f， 超導(dǎo)能隙隨溫度的變化關(guān)系。g， 1UC FeSe/STO蒸鉀x ~ 0.212的FS示意圖。h， 上圖：Γ處溫度依賴的除FD分布的EDCs。下圖：低溫的EDCs進(jìn)一步除高溫70K的數(shù)據(jù)。i， 在不同的kF點(diǎn)的14 K 下的對(duì)稱化的EDCs。j， M點(diǎn)附近的電子型FS的超導(dǎo)能隙的動(dòng)量依賴。物理所發(fā)現(xiàn)單層FeSe/SrTiO3中Lifshitz相變誘導(dǎo)超導(dǎo)增強(qiáng)  |  責(zé)任編輯：蟲子
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