FeSe超導薄膜研究獲新成果

    圖1：(a-c) 外延於石墨烯襯底上β-FeSe超導薄膜的STM形貌圖。多餘的Se原子誘導出「啞鈴」狀缺陷和單向的電子雙聚體結構。(d和e) β-FeSe和孿晶界的結構示意圖。

    圖2：(a-b) 孿晶界附近的STM形貌像。(c) 孿晶界附近歸一化dI/dV譜。(d-e)零偏壓(d)和對應相干峰位置能量(e)下的微分電導譜。

圖3：超導能隙（Δ）和零偏壓電導（ZBC）隨孿晶界距離的變化關係。

圖4：(a-b) 同一區域的STM形貌像(a)和ZBC圖像(b)。(c) 孿晶界和磁通位置的示意圖，表明磁通多被釘扎在孿晶界上。

孿晶界作為一種晶體缺陷，對超導材料的性質以及技術應用如超導轉變寬度和臨界電流等有著重要的影響。在很多傳統超導體中，孿晶界附近的超導轉變溫度會略有提高。由於較短的相干長度和較強的各向異性使得缺陷對高溫超導體的超導性質的影響很大，如YBCO的孿晶界能夠釘扎磁通，由此使臨界電流提高。對鐵基超導材料而言，最近研究發現，同一種材料如Ba(Fe1-xCox)2As2的孿晶界對超導電性的影響出現了相互矛盾的結果。

 

SQUID以及其它磁探測成像技術的空間解析度一般在幾百納米的範圍，而磁通釘扎可能只發生在幾個納米的尺度（與相干長度接近）裡。因此，單從現有的磁成像技術來確定一個磁通被釘扎在孿晶界處或者孿晶界附近是非常困難的。掃描隧道顯微鏡/譜技術可以同時對孿晶界和磁通在相干長度的尺度上成像，它可以在提高100倍的解析度的基礎上來研究孿晶界對超導電性的影響。

 

近兩年來，中科院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室（籌）表面物理實驗室馬旭村研究員與清華大學物理系薛其坤院士在β-FeSe超導薄膜的分子束外延生長和超導電性研究方面已開展了深入的研究【Phys. Rev. B 84, 020503 (2011)；Science 332, 1410 (2011)】。最近，他們又與哈佛大學的Jennifer E. Hoffman教授合作，利用低溫掃描隧道顯微鏡/譜對FeSe超導薄膜中孿晶界附近的超導電性進行了原位的詳細研究。

 

他們發現，（1）通過引入Se雜質，在FeSe表面觀察到由Se替代Fe原子位置產生的「啞鈴」狀缺陷（圖1中μ和ν），同時這些缺陷在更大尺度上（~4.4 nm）打破了晶體的四重對稱性形成電子雙聚體（electronic dimer）（黃色虛線）。通過研究這些電子雙聚體的不同取向，確定了FeSe超導薄膜中的孿晶界。（2）隨著向孿晶界靠近，超導能隙逐漸減小，超導相干峰逐漸減弱（圖2和圖3）。在孿晶界處的超導能隙（1.6meV）比沒有孿晶界出現的區域的能隙（2.2meV）縮減了25%，證明了孿晶界在超導相干長度尺度內抑制了FeSe薄膜的超導電性。（3）磁通優先被釘扎在孿晶界處（圖4）。以上結果表明，FeSe薄膜中的孿晶界結構局域削弱了超導電性。

 

考慮到STM形貌像總顯示出孿晶界區域總高於周圍FeSe薄膜，並參考高壓下單晶FeSe材料的結構及超導特性變化的研究（如壓力會導致hse降低、自旋漲落增強和Tc增加等），研究人員推測孿晶界處FeSe原胞中Se相對於Fe平面的高度（hse）存在局部的增加，這會扭曲FeSe4四面體結構和削弱電子配對所藉助的(π, π)自旋漲落。這是導致孿晶界處超導特性局域削弱的主要可能的原因。

 

這些結果對理解鐵基超導化合物中硫族/氮族元素高度在庫珀對形成中所扮演的作用有重要意義。

 

該成果已被發表在Physical Review Letters（Phys. Rev. Lett. 109, 137004）上。此項工作得到了國家自然科學基金和科技部重大研究計劃的經費支持。（來源：中科院物理研究所）

 

 

 

 

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