二维极限下的轨道选择性库珀配对: 助力揭示高温超导微观机理

2022-04-30 03:04

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对于多轨道超导，洪特定则耦合可抑制轨道间电荷涨落，并导致轨道差异化。该轨道退耦效应可致使电子的物理行为单独依赖于各个轨道，进而让超导表现出轨道选择性，即仅特定轨道主要贡献库珀配对。轨道选择性配对是以反铁磁自旋涨落为配对媒介超导的特有现象，对于理解高温超导机理非常重要。截至目前，前期的相关实验研究仅局限于铁基超导中的块材硒化铁（FeSe），而单层FeSe作为二维极限下的超导材料，配对机制颇有争议，鲜有关于轨道选择性的研究报道。

不同于块材FeSe大约8-9 K的超导转变温度（T_c），生长在钛酸锶（SrTiO₃）衬底上的单层FeSe（FeSe/SrTiO₃）具有高达55–65 K的T_c，被认为是一种高温界面超导，其超导特性自从发现以来长期备受关注。以往关于铁基超导的大量研究初步确立了基于电子–空穴费米口袋嵌套的s_±波配对。然而因为重电子掺杂，单层FeSe布里渊区中心（Γ点）的空穴型口袋降至费米能级以下，传统s_±配对图像不再适用。实验上澄清其配对机理的难点之一是如何利用有效的手段区分不同的配对玻色模式，例如自旋涨落（磁子）与声子。揭示单层FeSe超导是否具有轨道选择性，无疑对理解单层FeSe的微观库珀配对机制以及高温超导的配对机制具有重要参考意义。

图：（a-b）准粒子干涉图样。

（c）不同方向的色散E(q)，显示玻色耦合导致的kink结构，与dI/dV隧穿谱中hump特征的玻色模式能量吻合。

（d）超导能隙Δ的角度θ依赖关系。

（e）超导能隙结构示意图。

前期，北京大学物理学院量子材料中心王健课题组已观测到在单层FeSe中配对玻色模式具有磁激发特征 [Nano Letters 19, 3464 (2019)]，随后证实该体系具有异号超导能隙 [PRL 123, 036801 (2019)]，为阐明界面高温超导机理提供了重要参考。最近，王健教授与美国佛罗里达大学Peter J. Hirschfeld教授、丹麦哥本哈根大学Brian M.Andersen教授等人合作，利用超高真空原位扫描隧道显微镜，对单层FeSe/SrTiO₃超导的轨道选择性展开了深入研究。研究团队采用波戈留波夫准粒子干涉技术，提取了不同方向的色散关系E(q)。通过数据分析表明自能呈各向异性，得到电子与反铁磁自旋涨落耦合的证据。

同时，对多组变温隧穿谱进行系统的Dynes拟合，间接给出了各项异性超导能隙。通过自旋涨落的修正理论发现，考虑电子关联的轨道选择性后，可得到与实验吻合的能隙分布。各向异性的自能与超导能隙结果，与考虑轨道选择的自旋涨落修正理论相互印证，表明轨道选择性配对在二维极限下的超导中可以稳定存在，为澄清界面高温超导机理提供了帮助。鉴于单层FeSe是铁基超导的基本结构单元，该工作表明轨道选择性在铁基超导体系中可能具有普适性，以及电子关联在整个高温超导家族中的重要性。

2022年4月13日，该项研究成果以“Orbital-Selective High-Temperature Cooper Pairing Developed in the Two-Dimensional Limit”（二维极限下的轨道选择性高温库珀配对）为题在学术期刊《纳米快报》（Nano Letters）上在线发表。王健教授为通讯作者，北大2020届博士生刘超飞为第一作者。该工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、北京市自然科学基金和中国科学院战略性先导科技专项（B类）的支持。