清華新聞網(wǎng)4月18日電 電子液晶相普遍存在于高溫超導(dǎo)材料中，由于其與超導(dǎo)的關(guān)聯(lián)和競(jìng)爭(zhēng)，在凝聚態(tài)物理領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。近日，清華物理系李渭副教授和薛其坤教授的研究團(tuán)隊(duì)在雙層硒化鐵薄膜-鈦酸鍶（2 UC FeSe/STO）體系中發(fā)現(xiàn)了非公度的條紋型電子液晶相（Smectic phase），并揭示了其與單層硒化鐵薄膜中高溫超導(dǎo)增強(qiáng)的關(guān)系。
圖1.雙層硒化鐵薄膜的條紋型電子液晶相
單層硒化鐵-鈦酸鍶的超導(dǎo)增強(qiáng)是高溫超導(dǎo)研究的熱點(diǎn)，之前的研究聚焦于襯底鈦酸鍶的作用，如提供電荷摻雜和額外的聲子通道等。近年來(lái)，李渭等將關(guān)注點(diǎn)放在硒化鐵材料本身，發(fā)現(xiàn)該材料自身電子的特異性對(duì)超導(dǎo)增強(qiáng)也具重要意義。2017年，該研究團(tuán)隊(duì)在《自然·物理》（Nature Physics）上發(fā)表文章，揭示了在多層硒化鐵薄膜的缺陷周?chē)娮映尸F(xiàn)出的短程條紋結(jié)構(gòu)，這是體系對(duì)稱(chēng)性在缺陷處進(jìn)一步破缺的結(jié)果。多層硒化鐵薄膜中存在向列型電子液晶相(Nematic phase)，其強(qiáng)度隨薄膜厚度減小而增大。當(dāng)薄膜厚度減小至單層極限時(shí)，其電子不再表現(xiàn)向列性，高溫超導(dǎo)電性出現(xiàn)。然而，硒化鐵薄膜中向列性、局域的電子條紋結(jié)構(gòu)及其與單層高溫超導(dǎo)態(tài)之間的關(guān)聯(lián)仍不清楚。
將分子束外延生長(zhǎng)與掃描隧道顯微鏡技術(shù)相結(jié)合，該研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)硒化鐵薄膜精確的層厚調(diào)控，并逐層研究了其電子結(jié)構(gòu)。他們發(fā)現(xiàn)在雙層硒化鐵薄膜中存在著稀有的長(zhǎng)程條紋型電子液晶相（如圖1中箭頭所示），而在雙層薄膜的近鄰：?jiǎn)螌雍腿龑又?，均不存在該條紋相。因此，該條紋相位于高溫超導(dǎo)相和電子向列相之間，這是對(duì)這三者關(guān)系的首次揭示。實(shí)驗(yàn)還表明，表面電子摻雜可抑制雙層薄膜的條紋相，進(jìn)而誘導(dǎo)出與單層薄膜中類(lèi)似的超導(dǎo)態(tài)。通過(guò)比較摻雜誘導(dǎo)的雙層和三層硒化鐵薄膜的超導(dǎo)電性，他們發(fā)現(xiàn)雙層薄膜的超導(dǎo)在相干性和能隙大小上都優(yōu)于三層（如圖2所示），這與在雙層薄膜中廣泛存在的條紋相密切相關(guān)。該研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，未摻雜的單層和雙層硒化鐵薄膜均處于條紋型電子液晶相這一基態(tài)，電荷摻雜會(huì)誘導(dǎo)出超導(dǎo)電性。在摻雜過(guò)程中，盡管長(zhǎng)程的條紋相被抑制，但條紋相的電子漲落仍會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)超導(dǎo)。該工作揭示了硒化鐵薄膜在二維極限下電子結(jié)構(gòu)的演化，并證明了硒化鐵本身具有的條紋型液晶態(tài)漲落對(duì)高溫超導(dǎo)的影響。
圖2.雙層和三層硒化鐵中堿金屬摻雜誘導(dǎo)的超導(dǎo)電性比較
該項(xiàng)研究工作以“與高溫超導(dǎo)體硒化鐵-鈦酸鍶近鄰的非共度條紋液晶相”（Incommensurate smectic phase in close proximity to the high-Tcsuperconductor FeSe/SrTiO3）為題，在線(xiàn)發(fā)表于4月13日的《自然·通訊》（Nature Communications）上。
清華大學(xué)物理系博士生袁永浩（2015級(jí)）為該文章的第一作者，博士生樊學(xué)敏（2018級(jí)）和王心童（2016級(jí)）也參與了實(shí)驗(yàn)。論文的合作者還包括北京大學(xué)物理學(xué)院的張焱副教授和清華大學(xué)物理系的何珂教授。該研究得到了科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、北京未來(lái)芯片技術(shù)高精尖創(chuàng)新中心、北京市優(yōu)秀人才青年拔尖項(xiàng)目的資助。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41467-021-22516-2
供稿：物理系
編輯：李華山
審核：呂婷
