科學前沿2：單層FeSe薄膜中存在高達83K超導配對溫度的譜學證據
中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心超導國家重點實驗室周興江研究組的博士生徐煜、戎洪濤、吳定松以及王慶艷副研究員、趙林副研究員等，利用 高分辨角分辨光電子能譜技術 ，對制備的高質量單層FeSe/STO超導薄膜進行了系統的電子結構和超導電性的研究，發現了單層FeSe/STO薄膜在83 K存在超導配對的譜學證據。
他們利用自行研制的 分子束外延系統（MBE） ，通過優化薄膜制備條件，生長出了 超高質量的單層FeSe/STO超導薄膜 ，從而使得他們在高分辨角分辨光電子能譜測量中，不僅能夠明顯地觀察到單層FeSe/STO中的能帶劈裂，而且首次觀察到由超導誘導的強烈的Bogoliubov回彎能帶，該回彎能帶甚至可以延伸到費米能級以下100 meV（圖1）。在角分辨光電子能譜測量中，超導有兩個顯著的譜學特征：壹是在費米能級附近超導能隙的打開，另壹個是超導誘導的Bogoliubov回彎能帶的形成。在單層FeSe/STO薄膜中觀察到強烈的Bogoliubov 回彎能帶，為研究其超導配對溫度提供了能隙之外的另壹個新的更本征的譜學特征。
他們的研究發現，對具有明顯能帶劈裂的單層FeSe/STO薄膜，傳統的通過譜線對稱獲取能隙的方法不再適用。他們采用壹種新的分析方法，獲得了可靠的能隙以及費米能級附近譜重隨溫度的演變（圖2）。
特別是通過直接觀測和分析Bogoliubov回彎能帶，發現其可以持續到83K，為單層FeSe/STO薄膜在83 K存在超導配對提供了強有力的譜學證據（圖3）。
通過分析單層FeSe/STO薄膜在超導配對溫區的譜學行為，他們進壹步發現超導配對的溫區可以進壹步劃分為 64-83 K和64 K以下兩個區域（圖4）。
這些結果表明，在單層FeSe/STO薄膜中存在高達83 K的超導配對溫度 。對發現的兩個溫區的理解，目前有兩種可能性。壹種是83K直接對應超導轉變溫度 T c；另壹種則是64-83 K為預配對區域，存在超導漲落和贗能隙行為，而64K以下配對電子長程相幹進入超導態。具體對應哪壹種情形還需要進壹步的實驗來確定。 但無論是哪種可能性，都對鐵基超導體中高 T CM的實現以及相關超導機理的理解有著十分重要的意義 。
相關研究結果發表在近期的Nature Communications上，Yu Xu et al.， Spectroscopic evidence of superconductivity pairing at 83 K in single-layer FeSe/SrTiO3 films, Nature Communications 12, 2840 (2021)。上述研究工作獲得了國家自然科學基金委、 科技 部和中國科學院等的資助。
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供稿：SC7組