[論文レビュー] Phonon-enhanced superconductivity at the FeSe/SrTiO3 interface

Qianqian Song, Tianlun Yu+10 more|arXiv (Cornell University)|Oct 19, 2017

Iron-based superconductors research参考文献 39被引用数 39

ひとこと要約

本研究は、SrTiO3基板における酸素フォノンとの電子フォノン結合が、単層FeSeにおける超伝導性を強化することを示しており、これが異常に高いTcを示す理由を説明している。同位体置換実験により、結合強度に比例してTcが線形に向上することが判明し、フォノン媒介対合作用が、相関効果が強い高Tc系において極めて重要であることが証明された。

ABSTRACT

The dream of room temperature superconductors has inspired intense research effort to find routes for enhancing the superconducting transition temperature (Tc). Therefore, single-layer FeSe on a SrTiO3 substrate, with its extraordinarily high Tc amongst all interfacial superconductors and iron based superconductors, is particularly interesting, but the mechanism underlying its high Tc has remained mysterious. Here we show through isotope effects that electrons in FeSe couple with the oxygen phonons in the substrate, and the superconductivity is enhanced linearly with the coupling strength atop the intrinsic superconductivity of heavily-electron-doped FeSe. Our observations solve the enigma of FeSe/SrTiO3, and experimentally establish the critical role and unique behavior of electron-phonon forward scattering in a correlated high-Tc superconductor. The effective cooperation between interlayer electron-phonon interactions and correlations suggests a path forward in developing more high-Tc interfacial superconductors, and may shed light on understanding the high Tc of bulk high temperature superconductors with layered structures.

研究の動機と目的

• 単層FeSe/SrTiO3における異常に高い超伝導転移温度（Tc）の長年の謎を解明すること。
• SrTiO3基板における電子フォノン相互作用がTcの向上に寄与するかどうかを調査すること。
• 相関電子系におけるフォノンが超伝導性をどのように媒介するかを特定すること。
• 界面における電子フォノン結合を用いた、より高いTcを示す超伝導体の設計可能性を探ること。

提案手法

• フォノンモードを調整し、Tcに与える影響を調査するために、SrTiO3における同位体置換実験（16O vs. 18O）を実施した。
• 角度分解光電子効果分光法（ARPES）および輸送測定を用いて、超伝導転移温度（Tc）を測定した。
• 同位体効果の分析により、FeSe/SrTiO3界面における電子フォノン結合の強度を定量した。
• 前方散乱電子フォノン結合の理論予測と、観測されたTcの向上を比較した。
• 理論的モデリングを用いて、観測された同位体シフトがフォノン媒介対合作用機構とどのように関連するかを検証した。
• FeSe内の電子相関と基板におけるフォノン媒介相互作用の相乗効果を調査した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SrTiO3基板における電子フォノン結合は、FeSe/SrTiO3における高Tcに寄与するか？
• RQ2 SrTiO3における同位体置換に伴い、超伝導転移温度（Tc）はどのように応答するか？
• RQ3 電子フォノン相互作用の性質は何か――特に、前方散乱が支配的であるか？
• RQ4 フォノン媒介対合作用は、この相関効果が強い超伝導体におけるTcの向上を説明できるか？
• RQ5 界面における電子フォノン結合と電子相関の協同効果は、超伝導性の強化にどの程度寄与するか？

主な発見

• SrTiO3における16Oから18Oへの同位体置換により、Tcに測定可能なシフトが生じ、フォノンが超伝導性の媒介に寄与することが確認された。
• Tcは電子フォノン結合強度の増大に伴い線形的に上昇し、直接的なフォノン強化機構であることが示された。
• 観測された同位体効果は、相関効果が強い超伝導体では稀な前方散乱電子フォノン結合と整合的である。
• Tcの向上は、層間電子フォノン相互作用と強い電子相関の有効な協同作用に起因するとされる。
• 本研究の結果により、フォノン媒介対合作用が、FeSe/SrTiO3における高Tcを達成する上で重要な要素であることが確立され、長年の謎が解けた。
• これらの発見は、設計された界面電子フォノン結合を用いた、より高いTcを示す超伝導体の設計が現実可能である可能性を示唆している。