...Letters報導量子中心王健教授關於單層鐵硒高溫超導機理的系列...

近期，北京大學量子材料中心王健研究組與合作者在鈦酸鍶（SrTiO₃）襯底上外延生長的單原胞層厚（0.55 nm）鐵硒（FeSe）薄膜中觀測到了具有磁激發跡象的玻色模式和強非磁性雜質誘導的準粒子束縛態。兩項發現為超導機製備受爭議的單原胞層鐵硒薄膜提供了異號配對的重要實驗證據，表明在該體系中儘管界面電–聲耦合被認為可以增強超導特性，自旋漲落對於庫珀對的配對有著不可忽略的作用，或對鐵基高溫超導機理的統一理解提供重要參考。

提升超導轉變溫度和理解庫珀配對機制是超導領域兩個最重要的研究方向。在以往的鐵基超導研究中，基於電子–空穴費米口袋嵌套的s±波配對被廣泛接受。然而對於A_xFe_2−ySe₂ (A = K, Rb, Cs, Tl)、(Li_1−xFe_x)OHFe_1−ySe，尤其是單原胞層FeSe/SrTiO₃等一系列重電子摻雜鐵硒化合物，重電子摻雜會導致費米能級上移，進而導致布裡淵區中心Γ點的空穴費米口袋降至費米能級以下，使得電子–空穴費米口袋嵌套理論失效。因而，鐵基超導中的s±配對圖像受到嚴峻挑戰。

鈦酸鍶襯底上外延生長的鐵硒薄膜具有鐵基超導家族最簡單的分子結構和最高的超導轉變溫度（能隙閉合溫度的典型值為65 K），自2012年被清華大學薛其坤團隊發現以來在國際凝聚態物理領域掀起了研究熱潮。前期，北京大學王健研究組與薛其坤研究組合作採用電輸運和抗磁性測量首次報導了單層鐵硒中高溫超導的直接證據（Chin. Phys. Lett. 31, 017401 (2014)，被Science編輯選擇文章Science 343, 230 (2014)報導）。然而，其中的超導配對機制，一直存在爭議，始終懸而未決。

為了揭示單層鐵硒中的超導配對機制，王健研究組開展了一系列系統的實驗。實驗中的單層鐵硒超薄膜採用分子束外延技術生長於鈦酸鍶襯底。通過原位超高真空（~10−10 mbar）原位掃描隧道譜探測，研究組發現超導能隙外存在由電子–玻色子耦合導致的鼓包（hump）結構。系統的掃描隧道譜實驗揭示以該鼓包為特徵的玻色模式更接近磁激發信號（圖1），極有可能是充當配對媒介、且連接布裡淵區近鄰角落（M點）電子費米口袋的(π,π)自旋漲落。超導序參量作為複數，其在費米面上的分布存在同相位（保號：sign-preserving）與反相位（異號：sign-reversing）兩種情形。雜質散射作為一種相位敏感技術，已廣泛應用於以往超導配對研究。其中非磁性雜質尤為特殊，其選擇性地局域破壞s±波、d波等異號配對，實驗上表現為誘導超導能隙內的束縛態，而對傳統保號s波配對無明顯效應，因此可用於區分異號和保號配對圖像。王健研究組採用沉積於單層鐵硒表面的強非磁性雜質鉛（Pb）吸附原子作為散射中心，實驗中發現相對於正常超導譜形，鉛原子在超導帶隙邊界附近誘導出電子型譜權重增強，同時超導能隙減弱（圖2）。該特徵是『隱』束縛態的典型信號。系統的勢散射強度調節（圖2(d)）等實驗也印證了這一觀點，有力地說明單層鐵硒超導能隙函數存在異號。同時，基於異號配對圖像，如擴展s±波（圖2(e)），南京大學王強華教授與南京師範大學高繹教授理論上定性復現了非磁性雜質誘導的超導譜形重構。上述的玻色模式與非磁雜質散射兩項研究成果一致支持單層鐵硒中存在以自旋漲落為媒介的異號配對，為最終澄清單層鐵硒的界面高溫超導機制奠定了重要基礎，同時也預示具有不同費米面構型的鐵基高溫超導體或存在統一解釋。

圖1. 單原胞層FeSe中具有磁激發跡象的玻色模式。(a) 單原胞層FeSe的掃描隧穿譜，顯示超導能隙外由電子–玻色子耦合導致的鼓包結構；(b) Ω/2Δ₁與Δ₁的統計負關聯（Ω：玻色模式能量；Δ₁：內超導能隙）。

圖2. 單原胞層FeSe中強非磁性雜質誘導的準粒子束縛態。(a) Pb吸附原子的STM形貌圖；(b) Pb吸附原子和正常單原胞層FeSe的掃描隧穿譜，顯示9.5 mV處存在『隱』束縛態；(c) 跨Pb吸附原子的掃描隧穿線譜；(d) 101組Pb吸附原子掃描隧穿譜（黑實線下方）與無吸附原子時的掃描隧穿譜（黑實線上方）對比；(c) 擴展s±波圖像下非磁性雜質的模擬局域態密度譜。

兩項工作分別於2019年5月22日和2019年7月15日發表於Nano Letters（Nano Lett. 19, 3464−3472 (2019)）、Physical Review Letters（Phys. Rev. Lett. 123, 036801 (2019)）。論文連結：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.9b00144、https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.123.036801。

其中，北京大學博士生劉超飛為Nano Letters文章第一作者，北京大學王健教授為通訊作者；Physical Review Letters文章，北京大學博士生劉超飛、王子喬和南京師範大學高繹教授為共同第一作者，北京大學王健教授和南京大學王強華教授為共同通訊作者。

以上工作得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃、量子物質科學協同創新中心、中科院卓越創新中心、北京市自然科學基金、江蘇省自然科學基金等經費的支持。王健特別感謝謝心澄、王垡、徐莉梅、任澤峰以及量子物質科學協同創新中心在北大超高真空分子束外延與低溫掃描隧道顯微鏡實驗室搭建過程中給予的支持。