物理系研究團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材料中，由于其與超導的關聯(lián)和競爭，在凝聚態(tài)物理領域受到廣泛關注。近日，我校物理系李渭副教授和薛其坤教授的研究團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增強的關系。該工作以“與高溫超導體硒化鐵-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-鈦酸鍶的超導增強是高溫超導研究的熱點，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增強也具重要意義。2017年，該研究團隊在《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，這是體系對稱性在缺陷處進一步破缺的結(jié)果。多層硒化鐵薄膜中存在向列型電子液晶相 (Nematic phase)，其強度隨薄膜厚度減小而增大。當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)構及其與單層高溫超導態(tài)之間的關聯(lián)仍不清楚。

 

將分子束外延生長與掃描隧道顯微鏡技術相結(jié)合，該研究團隊實現(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。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相和電子向列相之間，這是對這三者關系的首次揭示。實驗還表明，表面電子摻雜可抑制雙層薄膜的條紋相，進而誘導出與單層薄膜中類似的超導態(tài)。通過比較摻雜誘導的雙層和三層硒化鐵薄膜的超導電性，他們發(fā)現(xiàn)雙層薄膜的超導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。該研究團隊認為，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)，電荷摻雜會誘導出超導電性。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一步增強超導。該工作揭示了硒化鐵薄膜在二維極限下電子結(jié)構的演化，并證明了硒化鐵本身具有的條紋型液晶態(tài)漲落對高溫超導的影響。

圖2雙層和三層硒化鐵中堿金屬摻雜誘導的超導電性比較       

 

清華大學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物理學院的張焱副教授和清華大學物理系的何珂教授。該研究得到了科技部、國家自然科學基金委員會、北京未來芯片技術高精尖創(chuàng)新中心、北京市優(yōu)秀人才青年拔尖項目的資助。