物理系研究團(tuán)隊在硒化鐵薄膜中發(fā)現(xiàn)條紋型電子液晶相(圖文)

發(fā)布者：眺望科技                     發(fā)布日期：2021-05-14

電子液晶相普遍存在于高溫超導(dǎo)材料中，由于其與超導(dǎo)的關(guān)聯(lián)和競爭，在凝聚態(tài)物理領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。近日，我校物理系李渭副教授和薛其坤教授的研究團(tuán)隊在雙層硒化鐵薄膜-鈦酸鍶（2 UC FeSe/STO）體系中發(fā)現(xiàn)了非公度的條紋型電子液晶相（Smectic phase），并揭示了其與單層硒化鐵薄膜中高溫超導(dǎo)增強(qiáng)的關(guān)系。該工作以“與高溫超導(dǎo)體硒化鐵-鈦酸鍶近鄰的非共度條紋液晶相”（Incommensurate smectic phase in close proximity to the high-Tc superconductor FeSe/SrTiO3）為題，在線發(fā)表于4月13日的《自然-通訊》（Nature Communications）上。

 

圖1 雙層硒化鐵薄膜的條紋型電子液晶相       

 

單層硒化鐵-鈦酸鍶的超導(dǎo)增強(qiáng)是高溫超導(dǎo)研究的熱點，之前的研究聚焦于襯底鈦酸鍶的作用，如提供電荷摻雜和額外的聲子通道等。近年來，李渭等將關(guān)注點放在硒化鐵材料本身，發(fā)現(xiàn)該材料自身電子的特異性對超導(dǎo)增強(qiáng)也具重要意義。2017年，該研究團(tuán)隊在《自然-物理》（Nature Physics）上發(fā)表文章，揭示了在多層硒化鐵薄膜的缺陷周圍電子呈現(xiàn)出的短程條紋結(jié)構(gòu)，這是體系對稱性在缺陷處進(jìn)一步破缺的結(jié)果。多層硒化鐵薄膜中存在向列型電子液晶相 (Nematic phase)，其強(qiáng)度隨薄膜厚度減小而增大。當(dāng)薄膜厚度減小至單層極限時，其電子不再表現(xiàn)向列性，高溫超導(dǎo)電性出現(xiàn)。然而，硒化鐵薄膜中向列性、局域的電子條紋結(jié)構(gòu)及其與單層高溫超導(dǎo)態(tài)之間的關(guān)聯(lián)仍不清楚。

 

將分子束外延生長與掃描隧道顯微鏡技術(shù)相結(jié)合，該研究團(tuán)隊實現(xiàn)了對硒化鐵薄膜精確的層厚調(diào)控，并逐層研究了其電子結(jié)構(gòu)。他們發(fā)現(xiàn)在雙層硒化鐵薄膜中存在著稀有的長程條紋型電子液晶相（如圖1中箭頭所示），而在雙層薄膜的近鄰：單層和三層中，均不存在該條紋相。因此，該條紋相位于高溫超導(dǎo)相和電子向列相之間，這是對這三者關(guān)系的首次揭示。實驗還表明，表面電子摻雜可抑制雙層薄膜的條紋相，進(jìn)而誘導(dǎo)出與單層薄膜中類似的超導(dǎo)態(tài)。通過比較摻雜誘導(dǎo)的雙層和三層硒化鐵薄膜的超導(dǎo)電性，他們發(fā)現(xiàn)雙層薄膜的超導(dǎo)在相干性和能隙大小上都優(yōu)于三層（如圖2所示），這與在雙層薄膜中廣泛存在的條紋相密切相關(guān)。該研究團(tuán)隊認(rèn)為，未摻雜的單層和雙層硒化鐵薄膜均處于條紋型電子液晶相這一基態(tài)，電荷摻雜會誘導(dǎo)出超導(dǎo)電性。在摻雜過程中，盡管長程的條紋相被抑制，但條紋相的電子漲落仍會進(jìn)一步增強(qiáng)超導(dǎo)。該工作揭示了硒化鐵薄膜在二維極限下電子結(jié)構(gòu)的演化，并證明了硒化鐵本身具有的條紋型液晶態(tài)漲落對高溫超導(dǎo)的影響。

圖2雙層和三層硒化鐵中堿金屬摻雜誘導(dǎo)的超導(dǎo)電性比較       

 

清華大學(xué)物理系博士生袁永浩（2015級）為該文章的第一作者，博士生樊學(xué)敏（2018級）和王心童（2016級）也參與了實驗。論文的合作者還包括北京大學(xué)物理學(xué)院的張焱副教授和清華大學(xué)物理系的何珂教授。該研究得到了科技部、國家自然科學(xué)基金委員會、北京未來芯片技術(shù)高精尖創(chuàng)新中心、北京市優(yōu)秀人才青年拔尖項目的資助。