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中国科学院物理研究所 EX7组供稿 第18期 2017年05月11日
北京凝聚态物理国家实验室
单层FeSe/SrTiO3中Lifshitz相变诱导超导增强
  自从单层FeSe/SrTiO3界面增强超导[Chin. Phys. Lett. 29, 037402 (2012)]被发现以来,其超导机理被人们广泛关注。相比FeSe体材料,单层膜的超导转变温度提高了5倍以上。与此对应的,铁硫族超导体AxFe2-xSe2和电子掺杂的块材FeSe,同样都有相对FeSe单晶更高的超导转变温度,且都没有空穴型费米面,这表明费米面拓扑结构的改变(Lifshitz相变)可能会提高超导转变温度。其中使费米面拓扑结构的改变的一个重要因素就是电子掺杂。因此很自然地想到,如果在本身具有高电子掺杂的单层FeSe/SrTiO3 (STO)上继续进行电子掺杂,其超导的相关性质又将怎么变化?
  近期,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)极端条件物理重点实验室Ex7组博士生施训(现为博士后)、博士生韩智卿(人民大学联合培养生)、孙煜杰副研究员和丁洪研究员等,利用原位分子束外延——角分辨光电子能谱联合系统,系统地研究了不同电子掺杂浓度对FeSe/STO单层膜超导性质的影响(图1),首次获得了高掺杂浓度的单层FeSe能带结构和超导性相图,发现了新的Lifshitz相变并伴随着超导转变温度的跳变。理论计算部分由吴贤新博士和胡江平研究员完成。
  研究发现在单层FeSe/SrTiO3 (STO)上通过生长钾使电子掺杂浓度x 从0.164 升高到 0.208,再继续生长第二次(x = 0.212),第三次(x = 0.214)钾则电子浓度基本保持不变趋于饱和, 如图2所示。从FS及MDCs上可以看出,在第二次蒸钾x = 0.212后 Γ点出现强度,这种变化意味着系统趋于一种Lifshitz相变。这种相变出现了电子型口袋,区别于之前了解的空穴型口袋消失导致的相变。为了进一步了解此电子型口袋的强度来源,利用不同的光子能量进行ARPES测量并和计算结果进行对比发现,该强度来自于Se 4pz 和Fe 3dxy的杂化轨道, 如图3所示。在超导性质方面,当蒸钾至Γ点出现强度的同时其超导转变温度也相应提高了15 K, 如图4所示。 M点附近的超导能隙是各向同性的,大小约15 meV,Γ点处的电子型口袋也有类似的15 meV的能隙特征。
  图1总结了FeSe关于电子掺杂浓度的相图,电子掺杂浓度在x = 0.04 — x = 0.22之间,经历了两种Lifshitz相变。在第一种相变下,Γ点附近的空穴型FS口袋(dxz/dyz)消失,超导性质突然增强。在第二次相变下,Γ点附近的电子型FS口袋(dxy/pz )出现,超导性质又突然增强。以上现象表明超导增强和轨道相关,超导的配对机制也应该是轨道依赖的。
  相关研究结果发表在近期的Nature Communications 8,14988 (2017)上。研究工作获得了中国科学技术部国家重点研发计划(2015CB921000, 2015CB921301,2016YFA0401000, 2016YFA0300300)、国家自然科学基金(11574371, 11274362, 1190020, 11334012, 11274381, 11674371)、中国科学院先导B项目的资助。
  相关工作链接:https://www.nature.com/articles/ncomms14988
图1相图表明FeSe的超导和FS拓扑性质。虚线代表可能的外延结果。
图2 a,未蒸钾的样品T = 20 K费米能级附近 ±10 meV的FS。b-d, 分别是蒸钾第一次,第二次,第三次后的FS。e, 沿高对称线上的MDC。f, 对比a-d的FS。
图3 a-b,  和 M附近T = 14 K蒸钾过程中的ARPES强度图。 c, 分别是a在T = 70 K除FD分布的强度图。e, 样品2用He II光测量的Γ点附近的强度图。
d, 对比用He Iα和He II光测量的Γ附近的EDCs。f, 计算的Fe 3d, Se 4p 和K 4s的原子光电离横截面。 g, 蒸钾过程中沿高对称线Γ-M方向能带变化的示意图。
图4 a-c, 未蒸钾和蒸钾后的1UC FeSe/STO, M点的电子型FS在 kF点的随温度依赖的对称化的EDCs。d-f, 超导能隙随温度的变化关系。g, 1UC FeSe/STO蒸钾x ~ 0.212的FS示意图。h, 上图:Γ处温度依赖的除FD分布的EDCs。下图:低温的EDCs进一步除高温70K的数据。i, 在不同的kF点的14 K 下的对称化的EDCs。j, M点附近的电子型FS的超导能隙的动量依赖。
下载附件>> Nature Communications 8,14988 (2017).pdf
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