單層鐵硒（1?uc FeSe）是近年來超導(dǎo)研究中的一個重要領(lǐng)域，因其在SrTiO₃（STO）基底上展現(xiàn)出的顯著提高的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度（T_c），這使得其在量子計算、能源存儲和傳感器等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。這種高T_c現(xiàn)象與電子-聲子耦合（EPC）密切相關(guān)，但其微觀機(jī)制仍然不明確，特別是在界面處的耦合行為上，引起研究者們對該領(lǐng)域的深入探索。現(xiàn)有研究表明，界面玻色子模式與超導(dǎo)性之間的關(guān)系是理解T_c增強(qiáng)的關(guān)鍵因素。然而，聲子模式的具體貢獻(xiàn)和與電子的耦合強(qiáng)度之間的關(guān)系尚未得到充分闡明。

基于以上難題，加州大學(xué)爾灣分校潘曉晴教授在Nature發(fā)表了題為“Phonon modes and electron-phonon coupling at the FeSe/SrTiO₃ interface"的論文，報道了采用動量選擇性高分辨電子能量損失譜（EELS）技術(shù)，成功解析了FeSe/STO界面處的聲子模式。研究發(fā)現(xiàn)了新的光學(xué)聲子模式，在75-99 meV的能量范圍內(nèi)與電子強(qiáng)烈耦合。這些模式的特征是界面雙TiO_x層中的氧原子和STO中的頂端氧原子的面外振動。研究結(jié)果還表明，1 uc FeSe/STO的EPC強(qiáng)度和超導(dǎo)能隙與FeSe和TiO_x端STO之間的層間距密切相關(guān)。這項研究發(fā)現(xiàn)揭示了界面EPC的微觀起源，并為在FeSe/STO和潛在的其他超導(dǎo)系統(tǒng)中實現(xiàn)大而一致的T_c增強(qiáng)提供了見解。

研究人員利用分子束外延在STO上生長了FeSe薄膜，并在5?K下利用STM-STS測量了1?uc FeSe/STO樣品的超導(dǎo)能隙。

圖1、超導(dǎo)1 uc FeSe/STO的界面結(jié)構(gòu)和振動光譜 © 2024 Springer Nature

圖2、原子分辨聲子譜學(xué)與成像 © 2024 Springer Nature

圖3、ECP的DFT計算 © 2024 Springer Nature

圖4、層間距對聲子和超導(dǎo)電性的影響 © 2024 Springer Nature

本研究為理解超導(dǎo)材料界面的EPC提供了重要的微觀視角，揭示了1?uc FeSe/STO界面中氧原子的垂直振動如何影響超導(dǎo)性。研究人員通過高分辨率振動光譜學(xué)識別了雙TiO_x層中的垂直振動模式，這些模式不僅提供了額外的聲子模式，還在電子耦合中扮演了關(guān)鍵角色。這一發(fā)現(xiàn)表明，界面結(jié)構(gòu)的均勻性對T_c的提升至關(guān)重要。此外，本研究強(qiáng)調(diào)了不同界面類型之間的微小變化如何導(dǎo)致超導(dǎo)能隙的不同表現(xiàn)，提示在設(shè)計新型高T_c超導(dǎo)體時，應(yīng)關(guān)注界面工程。這種對界面結(jié)構(gòu)與EPC關(guān)系的深入理解，可能為開發(fā)具有優(yōu)異性能的新材料提供重要啟示。未來的研究可以進(jìn)一步探索不同材料系統(tǒng)中的類似現(xiàn)象，推動超導(dǎo)材料及其應(yīng)用的發(fā)展，為電子學(xué)和量子計算領(lǐng)域帶來新的突破。