《自然·物理》報(bào)道物理系鐵基高溫超導(dǎo)研究的最新成果

清華新聞網(wǎng)7月25日電 清華大學(xué)物理系助理教授李渭、陳曦教授和薛其坤教授在鐵基高溫超導(dǎo)體中條紋相的研究中獲得了重要進(jìn)展。利用低溫掃描隧道顯微鏡他們對(duì)多層的硒化鐵薄膜進(jìn)行了系統(tǒng)的表征，發(fā)現(xiàn)該體系中的電子在其電荷自由度與其自旋自由度相互耦合，形成了全新的條紋相。這一發(fā)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)了鐵基高溫超導(dǎo)體中條紋相的首次實(shí)驗(yàn)觀(guān)測(cè)，以《硒化鐵薄膜中向列性極限下的條紋相》(Stripes developed at the strong limit of nematicity in FeSe film)為題，在線(xiàn)發(fā)表在7月17日的《自然·物理》(Nature Physics)上。

圖a 單層硒化鐵（FeSe）薄膜的形貌，“迷宮”樣的條紋為向列相的疇界。

圖b 在點(diǎn)缺陷周?chē)汕宄目吹綏l紋相。

近五年來(lái)，高溫超導(dǎo)研究最重要的進(jìn)展之一是由清華大學(xué)物理系薛其坤教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)創(chuàng)的單層硒化鐵/鈦酸鍶(FeSe/STO)界面高溫超導(dǎo)電性的增強(qiáng)。單層硒化鐵作為該體系的“母相”，受到越來(lái)越多的關(guān)注。在低溫時(shí)單層硒化鐵的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)性被打破，其電子行為在正交晶格的兩個(gè)方向表現(xiàn)出極大的不等價(jià)性(向列性，Nematicity)，如:電阻的各向異性、不同軌道電子能帶的大尺度劈裂以及實(shí)空間電子的二重對(duì)稱(chēng)性等等。而向列性與超導(dǎo)的關(guān)系也一直是研究的熱點(diǎn)。單層硒化鐵的另一重要性質(zhì)是其長(zhǎng)程磁有序的缺失，這是鐵基高溫超導(dǎo)母體中的一個(gè)特例。有趣的是，加壓會(huì)使其長(zhǎng)程反鐵磁關(guān)聯(lián)迅速恢復(fù)到鐵基超導(dǎo)體中常見(jiàn)的“共線(xiàn)”(Collinear)磁有序態(tài)。該體系中電荷、軌道、磁性與超導(dǎo)的關(guān)聯(lián)，使得單層硒化鐵成為一個(gè)理想的研究平臺(tái)，可用于揭示上述諸多復(fù)雜因素間的內(nèi)在關(guān)系。

利用掃描隧道顯微鏡，李渭等人發(fā)現(xiàn)在單層硒化鐵薄膜中晶格對(duì)稱(chēng)性被進(jìn)一步破缺的區(qū)域，如：點(diǎn)缺陷周?chē)?、相疇界處，?huì)誘導(dǎo)出單向的條紋狀電荷密度調(diào)制(Stripe-type charge ordering)（下圖b）。值得注意的是，該調(diào)制對(duì)應(yīng)全新的轉(zhuǎn)變溫度約60 K。這一特征溫度低于單層硒化鐵中向列序的相變溫度125 K。該相形成于向列序轉(zhuǎn)變溫度以下，且單層硒化鐵薄膜中向列序的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于其在單層硒化鐵單晶中的強(qiáng)度，因此條紋相極有可能是作為向列相的基態(tài)之一存在著，這一發(fā)現(xiàn)為鐵基高溫超導(dǎo)理論研究提供了全新的思路和出發(fā)點(diǎn)。

條紋相的周期與理論計(jì)算所預(yù)言的一個(gè)新的反鐵磁態(tài)(條紋狀反鐵磁序，Stripy order)相一致。單層硒化鐵被外延生長(zhǎng)到STO襯底上會(huì)引入額外的拉應(yīng)力，這樣的調(diào)控可獲得單層硒化鐵壓力相圖在負(fù)壓時(shí)的寶貴信息。結(jié)合之前正壓力研究的結(jié)果，單層硒化鐵的壓力相圖可表述為：在常壓下，單層硒化鐵中的“共線(xiàn)”反鐵磁序與條紋狀反鐵磁序相互競(jìng)爭(zhēng)，表現(xiàn)為長(zhǎng)程磁有序的缺失；在正壓下，“共線(xiàn)”反鐵磁序在競(jìng)爭(zhēng)中獲勝；而在負(fù)壓下，體系的關(guān)聯(lián)性變強(qiáng)，條紋狀反鐵磁序在競(jìng)爭(zhēng)中獲勝，并在電荷通道誘導(dǎo)出電荷密度調(diào)制。該相圖完美解釋了單層硒化鐵體系中主要的幾個(gè)爭(zhēng)論，為研究超導(dǎo)與磁的相互作用提供了重要信息。

這項(xiàng)研究的合作者還包括美國(guó)斯坦福大學(xué)的沈志勛教授、路東輝研究員和北京大學(xué)的張焱助理教授。文章的第一作者和通訊作者之一是清華大學(xué)的李渭助理教授，陳曦教授與沈志勛教授是該文章的共同通訊作者，張焱助理教授為該文章的第二作者。項(xiàng)目得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和北京市優(yōu)秀人才青年拔尖項(xiàng)目的資助。

文章全文鏈接: http://dx.doi.org/10.1038/nphys4186

供稿：物理系 編輯：徐靜