界面超導體系與拓撲半金屬體系的表面電子-聲子相互作用研究獲進展

2020-11-22 中國科學院

　　電子-聲子相互作用在凝聚態物理中極為重要，不僅與材料的熱力學、載流子動力學等宏觀物理性質密切相關，還在超導電子配對、電荷密度波的形成等微觀物理現象中起到重要作用。

　　中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心表面物理國家重點實驗室SF06組研究員郭建東、副研究員朱學濤和博士生曹彥偉（已畢業）等人，在2015年成功研製了世界首臺具有能量-動量二維解析能力的高分辨電子能量損失譜儀（2D-HREELS）[Rev. Sci. Instrum. 86, 083902 (2015)]。該系統將一個帶有特殊設計電磁透鏡組的電子束單色器與商業化的二維半球形分析器結合，可以同時探測到散射電子能量和動量的信息。該譜儀可以對表面元激發進行高分辨、高效率的測量，能夠給出電子、晶格及其集體激發的綜合信息，是研究低維材料體系電子-聲子等多體相互作用的利器。

　　近年來，利用此2D-HREELS系統，SF06組在界面超導體系FeSe/SrTiO3的晶格動力學和電子-聲子相互作用機理的研究方面取得多項進展。博士生張書源（已畢業）等在朱學濤、郭建東的指導下，首先發現了SrTiO3襯底的光學聲子模式可以產生電場穿透FeSe薄膜[Phys. Rev. B 94, 081116R (2016)]；又系統研究了FeSe薄膜的晶格動力學[Phys. Rev. B 97, 035408 (2018)]；並發現了該體系中非絕熱的電子-聲子相互作用引起的界面極化子對超導增強的貢獻[Phys. Rev. Lett. 122, 066802 (2019)]；以及在BCS-BEC相圖中詳細探討了FeSe/SrTiO3界面超導體系的特殊性[Chin. Phys. Lett., 36, 107404 (2019)]。這一系列工作對進一步理解FeSe/SrTiO3界面的超導增強提供了有益的思路。

　　最近，SF06組將此研究方向拓展到了拓撲半金屬體系。研究表明，在拓撲節線型半金屬材料ZrSiS中，存在著由於非同構對稱性被表面破缺而形成的新奇二維表面態，引起了廣泛的關注。金屬體系中較強的電子-聲子相互作用會引起聲子色散在二倍費米波矢位置的軟化，稱為科恩（W. Kohn）反常。科恩反常現象在一維、二維、三維金屬體系，以及具有表面電子態的體系中都廣泛存在，是研究電子-聲子相互作用的重要實驗手段。近年來在拓撲絕緣體以及拓撲晶態絕緣體中均觀測到了與拓撲保護的表面態相互作用而引起的表面光學聲子的科恩反常。

　　SF06組博士生薛思瑋等在朱學濤、郭建東的指導下，與理論室研究員方辰、極端條件實驗室研究員石友國等合作，利用上述2D-HREELS系統，測量了ZrSiS表面高對稱方向的聲子色散譜，發現了一支表面光學聲子能帶在各方向均具有顯著的能量軟化特徵，由布裡淵區中心的~25 meV軟化至二倍費米波矢處的~16 meV，形成了「V」型的科恩反常。利用基於無規相近似（RPA）的電子聲子相互作用模型，發現這個能量軟化起源於表面光學支聲子與ZrSiS新奇二維表面態之間的相互作用。通過對實驗數據的擬合，此工作還確定了由該光學支聲子引起的動量依賴的電聲耦合常數。

　　這種表面聲子與二維表面電子態之間的相互作用，對低維器件的性能具有重要影響。該工作所揭示的表面電子-聲子相互作用的物理圖像對這類半金屬體系未來的可能應用具有重要價值。這一研究成果以Electron-phonon coupling and Kohn anomaly due to floating two-dimensional electronic bands on the surface of ZrSiS 為題發表於Phys. Rev. B 100, 195409 (2019)，並被選為當期的編輯推薦(Editors』 Suggestion)文章。

　　上述工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中科院青年創新促進會等的資助。

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　　圖1：FeSe/SrTiO3界面耦合增強示意圖。FeSe中的電子可以通過SrTiO3襯底聲子產生的極化場發生非絕熱的電子-玻色子相互作用(EBI)（圖a），這與傳統超導中絕熱的電子-玻色子相互作用（圖b）具有明顯的不同。這種非絕熱相互作用可以在界面處產生動態極化子，其相互吸引可以提高FeSe中原有電子配對的能量（圖c），從而增強超導。

圖2：利用2D-HREELS 得到的ZrSiS表面在布裡淵區中兩個高對稱方向的聲子色散圖像。

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