清華物理系張定等合作在界面高溫超導(dǎo)增強(qiáng)機(jī)理研究取得重要進(jìn)展

清華新聞網(wǎng)8月14日電 8月9日，清華大學(xué)物理系助理教授張定、副研究員王立莉、教授薛其坤與中科院大連化物所研究員姜鵬、教授包信和等合作在《自然-通訊》(Nature Communications)在線(xiàn)發(fā)表題為《鈦酸鍶上單層鐵硒中的電荷轉(zhuǎn)移及電聲耦合增強(qiáng)的起源》(Origin of charge transfer and enhanced electron-phonon coupling in single unit-cell FeSe films on SrTiO3)的研究論文。論文闡述了鈦酸鍶中能帶彎曲導(dǎo)致的電荷轉(zhuǎn)移以及強(qiáng)化的鈦氧(Ti-O)鍵對(duì)電聲耦合的增強(qiáng)作用，在解決該體系的高溫超導(dǎo)機(jī)理方面走出了關(guān)鍵一步。

發(fā)現(xiàn)新的超導(dǎo)材料和理解高溫超導(dǎo)機(jī)理是當(dāng)今凝聚態(tài)物理研究的兩個(gè)重要方向。2012年，物理系薛其坤教授團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了單層鐵硒(FeSe)與鈦酸鍶(SrTiO3)襯底結(jié)合而演生出的界面高溫超導(dǎo)，其超導(dǎo)能隙相比鐵硒體材料提高了近十倍，是自1986年銅氧化物高溫超導(dǎo)被發(fā)現(xiàn)以后第一個(gè)超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度在液氮溫區(qū)附近的高溫超導(dǎo)體系，這一發(fā)現(xiàn)對(duì)國(guó)際超導(dǎo)領(lǐng)域產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的學(xué)術(shù)影響，其界面增強(qiáng)超導(dǎo)效應(yīng)得到廣泛關(guān)注。研究成果以《鈦酸鍶上單層鐵硒中界面導(dǎo)致的高溫超導(dǎo)》（Interface-induced high temperature superconductivity in single unit-cell FeSe films on SrTiO3.）為題，發(fā)表于2012年3月11日出版的《中國(guó)物理快報(bào)》（Chinese Physics Letters）上。隨后的實(shí)驗(yàn)和理論研究表明，鈦酸鍶襯底對(duì)單層鐵硒摻雜電子以及鈦酸鍶聲子在高溫超導(dǎo)中均扮演了重要角色。然而，人們對(duì)于鈦酸鍶如何對(duì)單層鐵硒進(jìn)行摻雜以及電子-聲子耦合為何得到增強(qiáng)說(shuō)法不一，缺乏判定性的實(shí)驗(yàn)。

在鐵硒-鈦酸鍶體系中關(guān)于如何實(shí)現(xiàn)從鈦酸鍶襯底到單層鐵硒膜的電荷轉(zhuǎn)移是一個(gè)重要研究問(wèn)題。此前，人們猜測(cè)是通過(guò)鈦酸鍶中大量的氧空位來(lái)實(shí)現(xiàn)的。然而，薛其坤教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)近期發(fā)現(xiàn)，襯底中氧空位濃度的變化對(duì)超導(dǎo)能隙的調(diào)節(jié)作用十分有限，表明電荷轉(zhuǎn)移另有其因。該研究成果以《銳鈦礦型二氧化鈦上單層鐵硒的高溫超導(dǎo)》（High-temperature superconductivity in single-unit-cell FeSe films on anatase TiO2(001)）為題，發(fā)表于2016年8月5日的《物理評(píng)論快報(bào)》上（Physical Review Letters）。

在這項(xiàng)工作中，張定等利用紫外光電子能譜（UPS）發(fā)現(xiàn)鈦酸鍶的功函數(shù)比鐵硒小。由此推斷，兩種材料結(jié)合時(shí)電子會(huì)向功函數(shù)大的一側(cè)發(fā)生轉(zhuǎn)移，直到能帶彎曲在結(jié)區(qū)建立電場(chǎng)而達(dá)到平衡。通過(guò)X射線(xiàn)光電子能譜儀（XPS），他們定量分析了鈦酸鍶中不同元素的深能級(jí)在鐵硒生長(zhǎng)前后的移動(dòng)，確實(shí)觀(guān)察到了這個(gè)能帶彎曲的存在（如圖）。這表明，鐵硒-鈦酸鍶作為一個(gè)異質(zhì)結(jié)，在結(jié)區(qū)發(fā)生的能帶彎曲是導(dǎo)致鐵硒一側(cè)電子濃度升高的主要原因。

鐵硒-鈦酸鍶(FeSe/SrTiO3)體系的原子結(jié)構(gòu)以及實(shí)驗(yàn)測(cè)定的能帶彎曲的示意圖。

在該工作中，研究組還首次觀(guān)測(cè)到了樣品由非超導(dǎo)態(tài)到超導(dǎo)態(tài)的演化過(guò)程中鈦氧配對(duì)鍵（圖中高亮軌道）相對(duì)鈦氧非配對(duì)鍵的增強(qiáng)現(xiàn)象，這反映了襯底中聲子傳輸在進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)時(shí)獲得了改善。這一觀(guān)測(cè)不僅為電聲耦合的增強(qiáng)過(guò)程提供了直接實(shí)驗(yàn)證據(jù)，而且還指出電聲耦合增強(qiáng)與鐵硒中富余的硒的脫附直接相關(guān)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的電聲耦合在進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)后持續(xù)增強(qiáng)表明它是在電荷轉(zhuǎn)移基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的關(guān)鍵因素。此外，他們還發(fā)現(xiàn)了鐵硒層中深能級(jí)的元素選擇性關(guān)聯(lián)作用，這為研究鐵基超導(dǎo)中的關(guān)聯(lián)作用提供了新的啟示。

大連化物所博士張慧敏、清華大學(xué)物理系助理教授張定、大連化物所陸曉偉為文章共同第一作者，清華大學(xué)副研究員王立莉和中科院大連化物所研究員姜鵬、教授包信和為共同通訊作者，清華大學(xué)物理系研究員馬旭村、教授薛其坤參與了該研究的設(shè)計(jì)和指導(dǎo)。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金，低維量子物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金的支持。

文章鏈接：

http://dx.doi.org/10.1038/s41467-017-00281-5

http://cpl.iphy.ac.cn/10.1088/0256-307X/29/3/037402

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.117.067001

供稿：物理系 編輯：田心