單層FeSe超導體電子結構和超導電性研究獲進展

　　發現新的具有更高超導轉變溫度的超導材料和理解高溫超導電性的產生機理是當今超導研究的兩個重要方向。2008年發現的鐵基超導體，其最高超導溫度達到55K。最近，清華大學物理系薛其坤研究組和中科院物理研究所的馬旭村研究組合作，在SrTiO3襯底上成功生長出了FeSe薄膜，并在單層FeSe薄膜中發現可能存在接近液氮溫度(77K)的超導轉變跡象。這項工作，一方面可能打破鐵基超導體最高超導溫度55K的紀錄;另一方面，因為該超導溫度遠高于塊材FeSe常壓下的超導轉變溫度~8K和高壓下能達到的Tc~36.7K，這一結果相當地出人意料。到底是什么原因使得SrTiO3襯底上生長的單層FeSe薄膜顯示出如此奇異的超導特性?針對這一問題的研究，對理解鐵基超導體的超導機理，以及對研究如何提高材料的超導轉變溫度，都有著重要的意義。

　　中科院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室(籌)超導國家重點實驗室周興江研究組劉德發、牟代祥、何俊峰、趙林等人與表面實驗室馬旭村研究組和清華大學物理系薛其坤研究組的張文號、歐云波等合作，利用高分辨角分辨光電子能譜實驗手段，對SrTiO3襯底上生長的單層FeSe薄膜的電子結構進行了研究。首先，他們發現單層FeSe薄膜的電子結構和已有的其它鐵基超導體顯著不同，具有非常簡單的費米面(圖 1)。在布里淵區中心Γ點沒有任何能帶穿越費米能，只在布里淵區的角上M點，存在電子型的費米面(圖2)。其次，他們在低溫下觀察到M點附近費米面上超導能隙的打開。通過測量能隙隨溫度的變化，發現在55K左右能隙關閉，表明該樣品的超導轉變溫度在55K附近(圖3)。對超導能隙隨動量變化關系的測量，表明能隙基本為各向同性(~15 meV)(圖4)。由于這是一個理想的二維體系，由此可以直接判定該體系中沒有能隙節點的存在。

　　單層FeSe具有如此簡單的費米面，卻同時具有如此高的超導溫度，這對理解鐵基超導體的超導機理提供了重要的信息。一方面，在這種理想的二維體系中觀察到超導，說明三維的層間耦合對鐵基高溫超導電性的產生沒有明顯作用。另一方面，在已有的幾類鐵基超導體中，布里淵區中心Γ點附近普遍存在幾個空穴型的能帶和費米面，而且這些費米面被認為和超導電性的產生密切相關。結合之前對AxFe2-ySe2超導體的研究，單層FeSe的結果進一步表明，Γ點附近的空穴型費米面的存在對鐵基超導體的超導電性的產生不一定是必要條件，而M點附近的電子型費米面則非常重要。這些信息一方面抓住了鐵基超導產生的關鍵因素，另一方面有利于簡化理論上的分析和處理。

　　該研究結果發表在近期的《自然—通訊》雜志上【Nature Communications 3, 931 (2012)】。相關工作被推薦到Journal Club for Condensed Matter Physics，并得到專家的點評。

　　此項工作得到了國家自然科學基金和科技部973計劃的支持。