發(fā)布時(shí)間：2021年6月3日
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電子配對(duì)形成庫珀對(duì)和庫珀對(duì)實(shí)現(xiàn)長程相干是材料進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)的兩個(gè)必不可少的過程。在傳統(tǒng)超導(dǎo)體中，由于其超流密度高，電子配對(duì)與長程相干在相同的溫度下發(fā)生，相應(yīng)的超導(dǎo)能隙打開溫度與超導(dǎo)臨界溫度一致，但是在超流密度較低的二維超導(dǎo)體如銅基化物高溫超導(dǎo)體中，電子配對(duì)溫度可能會(huì)高于相干溫度，產(chǎn)生預(yù)配對(duì)的行為，從而導(dǎo)致贗能隙的形成，這通常被認(rèn)為與超導(dǎo)漲落相對(duì)應(yīng)。在鐵基超導(dǎo)體中，是否存在類似預(yù)配對(duì)以及贗能隙的行為仍沒有形成共識(shí)，相關(guān)的研究和報(bào)道很少。單層FeSe/SrTiO3 (FeSe/STO）薄膜由于展現(xiàn)了潛在的高超導(dǎo)臨界溫度和獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)而受到廣泛的關(guān)注和研究，但是對(duì)其超導(dǎo)臨界溫度的確定還存在著爭論。已有的電輸運(yùn)和磁測量得到的超導(dǎo)臨界溫度(Tc)盡管存在差異，但大多數(shù)輸運(yùn)測得的TC (Tonset在40~50K)都明顯低于譜學(xué)上獲得的65 K能隙關(guān)閉溫度。這進(jìn)而引申出與單層FeSe/STO薄膜相關(guān)的一系列重要問題，超導(dǎo)電子配對(duì)的溫度是多少，真正的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度是多少，是否存在贗能隙以及超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度是否還能進(jìn)一步提高。深入研究這些問題，對(duì)探索具有更高TC的超導(dǎo)體以及理解鐵基高溫超導(dǎo)機(jī)理都具有極其重要的意義。
中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心超導(dǎo)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(shù)，對(duì)制備的高質(zhì)量單層FeSe/STO超導(dǎo)薄膜進(jìn)行了系統(tǒng)的電子結(jié)構(gòu)和超導(dǎo)電性的研究，發(fā)現(xiàn)了單層FeSe/STO薄膜在83 K存在超導(dǎo)配對(duì)的譜學(xué)證據(jù)。
他們利用自行研制的分子束外延系統(tǒng)（MBE），通過優(yōu)化薄膜制備條件，生長出了超高質(zhì)量的單層FeSe/STO超導(dǎo)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(dǎo)誘導(dǎo)的強(qiáng)烈的Bogoliubov回彎能帶，該回彎能帶甚至可以延伸到費(fèi)米能級(jí)以下100 meV（圖1）。在角分辨光電子能譜測量中，超導(dǎo)有兩個(gè)顯著的譜學(xué)特征：一是在費(fèi)米能級(jí)附近超導(dǎo)能隙的打開，另一個(gè)是超導(dǎo)誘導(dǎo)的Bogoliubov回彎能帶的形成。在單層FeSe/STO薄膜中觀察到強(qiáng)烈的Bogoliubov 回彎能帶，為研究其超導(dǎo)配對(duì)溫度提供了能隙之外的另一個(gè)新的更本征的譜學(xué)特征。
他們的研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)具有明顯能帶劈裂的單層FeSe/STO薄膜，傳統(tǒng)的通過譜線對(duì)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(fèi)米能級(jí)附近譜重隨溫度的演變（圖2）。特別是通過直接觀測和分析Bogoliubov回彎能帶，發(fā)現(xiàn)其可以持續(xù)到83K，為單層FeSe/STO薄膜在83 K存在超導(dǎo)配對(duì)提供了強(qiáng)有力的譜學(xué)證據(jù)（圖3）。通過分析單層FeSe/STO薄膜在超導(dǎo)配對(duì)溫區(qū)的譜學(xué)行為，他們進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)配對(duì)的溫區(qū)可以進(jìn)一步劃分為 64-83 K和64 K以下兩個(gè)區(qū)域（圖4）。
這些結(jié)果表明，在單層FeSe/STO薄膜中存在高達(dá)83 K的超導(dǎo)配對(duì)溫度。對(duì)發(fā)現(xiàn)的兩個(gè)溫區(qū)的理解，目前有兩種可能性。一種是83K直接對(duì)應(yīng)超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度TC；另一種則是64-83 K為預(yù)配對(duì)區(qū)域，存在超導(dǎo)漲落和贗能隙行為，而64K以下配對(duì)電子長程相干進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)。具體對(duì)應(yīng)哪一種情形還需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)來確定。但無論是哪種可能性，都對(duì)鐵基超導(dǎo)體中高TCM的實(shí)現(xiàn)以及相關(guān)超導(dǎo)機(jī)理的理解有著十分重要的意義。
相關(guān)研究結(jié)果發(fā)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(xué)基金委、科技部和中國科學(xué)院等的資助。
文章鏈接： https://www.nature.com/articles/s41467-021-23106-y
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