【引言】

    直到現(xiàn)在，鐵基超導(dǎo)體中最高的臨界溫度都是在FeSe單層材料中實(shí)現(xiàn)的。相比于塊體FeSe超導(dǎo)臨界溫度只有8K，F(xiàn)eSe單層材料的超導(dǎo)臨界溫度要高得多，在鈦酸鍶襯底上制備得到的FeSe單層薄膜超導(dǎo)臨界溫度超過50K。該類材料和其它FeSe基材料比如AxFe2-ySe2和（Li,Fe）OHFeSe為何具有相對(duì)高得多的超導(dǎo)性能，仍然沒有一個(gè)準(zhǔn)確的機(jī)理可以解釋，也是鐵基超導(dǎo)體領(lǐng)域一個(gè)研究的熱點(diǎn)。所有具有高臨界轉(zhuǎn)變溫度的FeSe基材料有一個(gè)共同點(diǎn)就是在其布里淵區(qū)的中心空穴包的缺失。費(fèi)米面拓?fù)鋵?duì)FeSe基材料超導(dǎo)性能的重要性，已經(jīng)被在FeSe薄膜表面摻入電子載流子、在晶體中摻入鉀、在塊狀材料中用離子液體作為柵介質(zhì)等實(shí)驗(yàn)證明了。對(duì)于這一點(diǎn)，很自然就會(huì)問，單層的FeSe/STO材料電子摻雜能到什么樣的程度，在高電子摻雜的FeSe基材料，超導(dǎo)性能是如何與費(fèi)米面學(xué)聯(lián)系起來的。

    【成果簡(jiǎn)介】

    近日，來自中國(guó)科學(xué)院物理所的孫煜杰和丁洪（共同通訊）對(duì)電子摻雜FeSe單層材料具有增強(qiáng)超導(dǎo)性能進(jìn)行了深入研究，揭示了其與Lifshitz轉(zhuǎn)變的關(guān)系。

    研究人員用角分辨光電子能譜等測(cè)試方法進(jìn)行表征，開始用的FeSe/STO單層材料樣品，之前已經(jīng)在350℃退火20小時(shí)，這過程將相對(duì)較高的電子濃度轉(zhuǎn)移到了樣品中，而且其已經(jīng)被材料具有大電子費(fèi)米面包證明。之后，研究人員將K原子原位摻雜到樣品表面，從而實(shí)現(xiàn)更高的摻雜水平。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，伴隨這著第二Lifshitz轉(zhuǎn)變，材料的超導(dǎo)臨界溫度會(huì)出現(xiàn)15K的快速提升，第二Lifshitz轉(zhuǎn)變是被布里淵區(qū)中心出現(xiàn)的電子包證明的，由K原子原位摻雜引起。他們的工作還表明在增強(qiáng)FeSe材料超導(dǎo)性能方面配對(duì)交互作用是軌道依賴的。

    研究人員的工作為更好地理解FeSe基單層材料具有增強(qiáng)的超導(dǎo)性能打下基礎(chǔ)，推動(dòng)了FeSe基材料相關(guān)機(jī)理的研究。

    【圖文導(dǎo)讀】

    圖1  鉀覆蓋的1UC FeSe/STO費(fèi)米面演變過程

    （a）20K溫度下原始樣品費(fèi)米面密度示意圖，并且通過一個(gè)關(guān)于EF的20meV能量窗進(jìn)行整合。簡(jiǎn)并的電子包占據(jù)了整個(gè)布里淵區(qū)大約8.2%面積，根據(jù)盧京格爾定理，材料的電子濃度為每個(gè)晶胞0.164個(gè)電子。

    （b-d）與a類似，但是樣品經(jīng)過了K連續(xù)覆蓋。平板右邊的底部的百分比顯示的是1-Fe布里淵區(qū)M周圍費(fèi)米面電子的面積。M處電子包大小經(jīng)過連續(xù)的K沉積緩慢飽和（~10.4%, ~10.6% 和~10.7%分別代表第一次、第二次、第三次連續(xù)的沉積），但是光譜在沉積過程中寬化，這是因?yàn)槌练e過程中讓表面無序度增加。

    （e）沿高對(duì)稱剪切方向動(dòng)量分布曲線，該方向顯示在插圖中在K涂層之上，紅線是使用多個(gè)洛倫茲函數(shù)擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的結(jié)果。

    （f）a-d圖中費(fèi)米面對(duì)比。

    圖2  電子能帶結(jié)構(gòu)

    （a，b）14K溫度下，Γ和M附近，沿著圖1e插圖所示方向的鉀涂層角分辨光電子能譜強(qiáng)度演變圖。紅色的虛線形狀為拋物線，指代為分散的能帶。

    （c）剪切方向與a一致的強(qiáng)度圖，只是測(cè)試溫度是在70K。圖像被費(fèi)米-狄拉克分布函數(shù)分隔開，利用解析函數(shù)來讓EF以上的狀態(tài)可視化。

    （e）被鉀覆蓋的樣品在Γ附近的強(qiáng)度圖，其被He II而不是 He Iα記錄，該樣品被標(biāo)記為2。

    （d）Γ處EDCs的對(duì)比，被He II和 He Iα波束記錄。

    （f）對(duì)Fe 3d,  Se 4p 和 K 4s橫截面原子光電離計(jì)算結(jié)構(gòu)。

    （g）沿著Γ-M高對(duì)稱線方向分散的能帶的對(duì)比。Γ附近類電子帶能量位置，是從參考文獻(xiàn)中得到的，或c中數(shù)據(jù)預(yù)估得到的。

    圖3  超導(dǎo)能隙

    （a）原始的和被鉀覆蓋的1UC FeSe/STO樣品在M附近電子費(fèi)米面kF點(diǎn)處的EDCs隨溫度的演變圖。電子摻雜顯示在平板之上。紅線代表擬合的數(shù)據(jù)。

    （d-f）超導(dǎo)能隙大小與溫度關(guān)系曲線，數(shù)據(jù)是分別從a-c圖中的擬合曲線獲得的。誤差棒是從擬合曲線的標(biāo)準(zhǔn)偏差（s.d.）預(yù)估得到的。

    （g）摻雜量x~0.212的鉀覆蓋的1UC FeSe/STO樣品的費(fèi)米面示意圖。

    （h）上部分：被費(fèi)米-狄拉克函數(shù)分隔Γ處EDCs隨溫度的演變。下部分：低溫環(huán)境下EDCs進(jìn)一步與70K環(huán)境下的EDCs分離。

    （i）14K溫度下，不同kF點(diǎn)處測(cè)試得到的對(duì)稱的EDCs。其在g圖中被顏色不同的點(diǎn)標(biāo)識(shí)出來。

    （j）極坐標(biāo)表示的動(dòng)量與M處附近電子費(fèi)米面超導(dǎo)能隙大小關(guān)系圖，誤差棒是再次從擬合曲線的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

    （s.d.）預(yù)估得到的。15meV處近乎各項(xiàng)同行的能隙被灰色虛線圓圈標(biāo)出。

    圖4  FeSe的相圖該相圖闡明了超導(dǎo)性能和費(fèi)米面拓?fù)溲葑冞^程。

    x=0.11處的數(shù)據(jù)是來源于我們以前的工作。FeSe塊狀材料的臨界溫度數(shù)據(jù)，被青色曲線表示，來源于參考文獻(xiàn)13和15。誤差棒是從擬合曲線的標(biāo)準(zhǔn)偏差（s.d.）預(yù)估得到的。臨界溫度的誤差棒包括了測(cè)量的不準(zhǔn)確性。我們也注意到虛線可能是外推法的結(jié)果，沒有考慮到x大約0.214時(shí)，材料的不穩(wěn)定性。

    【小結(jié)】

    研究人員對(duì)單層的FeSe/STO材料進(jìn)行深入表征，發(fā)現(xiàn)伴隨這著第二Lifshitz轉(zhuǎn)變，材料的超導(dǎo)臨界溫度會(huì)有一個(gè)大的提高。而且研究人員用了一個(gè)軌道依賴的微觀模型來對(duì)FeSe/STO材料的超導(dǎo)性和增強(qiáng)的特性進(jìn)行闡明。他們工作對(duì)闡明FeSe/STO材料為何具有增強(qiáng)的超導(dǎo)性能有大的推動(dòng)作用，加深了人們對(duì)FeSe/STO材料相關(guān)機(jī)理的理解。

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責(zé)任編輯：殷鵬飛

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