FeSe/SrTiO3体系低能元激发的研究

来源 :中国科学院大学(中国科学院物理研究所) | 被引量 : 0次 | 上传用户:xiaziaipao
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高温超导体的发现对人类认识凝聚态体系中的多体相互作用提出了新的挑战。为了更好的解释高温超导电性的微观图像,对超导材料本身性质的认识显得尤为重要。在铁基超导中,FeSe是其中结构最简单的材料,其块材的超导转变温度(TC)为8 K,但电子的掺杂可以使得其TC增加到40 K。更有意思的是,如果把单层的FeSe薄膜生长在SrTiO3(STO)等氧化物衬底上(1uc-FeSe/STO),TC可以高达~60–70 K。Fe Se/STO界面显著的超导增强效应吸引了人们广泛的研究兴趣,但是其界面超导增强的微观图像尚不明确。我们利用电子能量损失谱和角分辨光电子谱,探测了FeSe/STO体系的元激发和电子结构,并研究了界面间可能存在的相互作用。我们的研究主要分为四个部分:(1)STO衬底的元激发;(2)FeSe薄膜的晶格动力学;(3)FeSe/STO界面的电子-声子相互作用;(4)FeSe/STO界面超导增强的微观图像。实验表明,氧化物衬底对单层FeSe薄膜的超导增强起到了决定性的作用,因此,要探索界面间的相互作用,我们首先要对氧化物衬底的性质进行研究。实验中,通过电子能量损失谱的测量,我们确定了掺铌STO表面的三支能量损失模式。其中两支是Fuchs-Kliewer(F-K)声子,它们是离子晶体表面的一种光学声子,伴随着氧离子的振动而产生很强的偶极场。另一支模式源于极化子的集体振荡产生的等离子激元,叫做极化子-等离子激元,其形成的原因是STO等离子晶体拥有很大的介电常数,电子被晶格的局域极化场所修饰。对STO衬底元激发的认识为研究FeSe/STO体系的元激发及相互作用奠定了基础。对界面元激发的研究,我们从FeSe薄膜的晶格动力学出发,研究了衬底对FeSe薄膜晶格动力学的影响。通过对FeSe薄膜声子谱的测量,我们发现,尽管STO衬底对FeSe薄膜的电子结构、超导电性产生了显著的影响,但是FeSe薄膜声子的能量和线宽并没有随薄膜厚度的增加而明显的改变。因此,FeSe声子并没有参与界面超导增强。第一性原理计算表明,考虑FeSe的反铁磁关联或自旋涨落对获得与实验相吻合的声子色散至关重要。而且,不同厚度的FeSe薄膜具有相似的反铁磁关联强度。我们的实验和计算结果表明,FeSe的反铁磁关联在单层FeSe的超导中仍然很重要。在FeSe/STO表面,我们也观测到了STO衬底的F-K声子,表明F-K声子产生的电场可以穿透FeSe薄膜。通过对声子谱和电子结构的解析,我们确定了F-K声子的电子-声子耦合强度,证明STO衬底的F-K声子与FeSe薄膜的电子存在显著的电子-声子相互作用。随着FeSe薄膜厚度的增加,F-K声子显著地衰减,其特征的衰减厚度与实验观测到的超导能隙的衰减一致。这些实验结果表明,F-K声子的穿透效应对界面超导增强至关重要。此外,在生长了FeSe薄膜后,FeSe/STO表面仍然可以形成极化子-等离子激元,表明界面间存在不同寻常的极化子效应。我们发现,以F-K声子产生的电场为媒介,FeSe的电子可以被STO的局域极化畸变实时地修饰,超越了绝热极限,形成了界面间非绝热的极化子。理论模型的计算表明,这种非绝热的极化子可以为FeSe中的电子对提供额外的短程吸引势,从而显著地增强界面超导转变温度。由此,我们通过对FeSe/STO体系元激发的研究,提出了FeSe/STO界面超导增强的微观图像。对界面超导增强的认识为我们提供了一个新的了解超导电性的视角,并为在界面组装更高TC的超导材料打下了坚实的基础。
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