物理所发现单层FeSe/SrTiO3中Lifshitz相变诱导超导增强

摘要: 　　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 ...

　　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，中国科学院物理学习所/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（中国人民大学联合培养生）、副学习员孙煜杰和学习员丁洪等，利用原位分子束外延——角分辨光电子能谱联合系统，系统地学习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。理论计算局部由吴贤新和胡江平完成。
　　学习发现在单层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。
　　相关学习结果发表在近期的自然-通讯（Nature Communications 8，14988 （2017））上。学习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）、中科院先导B项目的资助。
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　　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。物理所发现单层FeSe/SrTiO3中Lifshitz相变诱导超导增强 | 责任编辑：虫子