[论文解读] Enhanced superconductivity accompanying a Lifshitz transition in electron-doped FeSe monolayer

Xun Shi, P. Richard+9 more|RePEc: Research Papers in Economics|Jun 5, 2016

Iron-based superconductors research被引用 4

一句话总结

本研究证明，通过原位钾沉积实现的电子掺杂可在SrTiO3衬底上的FeSe单层中诱导第二次李斯列夫茨（Lifshitz）转变，其特征为布里渊区中心出现一个电子口袋，从而引发超导转变温度（Tc）提升15 K，达到50 K以上。结果表明，轨道依赖性配对，特别是dxy轨道的参与，是增强该体系超导性的关键因素。

ABSTRACT

The origin of enhanced superconductivity over 50 K in the recently discovered FeSe monolayer films grown on SrTiO$_{3}$ (STO), as compared to 8 K in bulk FeSe, is intensely debated. As with the ferrochalcogenides A$_{x}$Fe$_{2-y}$Se$_{2}$ and potassium doped FeSe, which also have a relatively high superconducting critical temperature ($T_c$), the Fermi surface (FS) of the FeSe/STO monolayer films is free of hole-like FS, suggesting that a Lifshitz transition by which these hole FSs vanish may help increasing $T_c$. However, the fundamental reasons explaining this increase of $T_c$ remain unclear. Here we report a 15 K jump of $T_c$ accompanying a second Lifshitz transition, characterized by the emergence of an electron pocket at the Brillouin zone (BZ) centre, that is triggered by high electron doping following in-situ deposition of potassium on FeSe/STO monolayer films. Our results suggest that the pairing interactions are orbital-dependent with the $d_{xy}$ orbital playing a determining role in generating enhanced superconductivity in FeSe.

研究动机与目标

• 研究在SrTiO3上外延生长的FeSe单层中增强超导性的起源，其Tc > 50 K，远超体相FeSe的8 K。
• 确定李斯列夫茨转变——费米面的拓扑变化——是否在提升Tc中发挥作用。
• 探讨电子掺杂如何改变FeSe/STO单层的电子结构与超导特性。
• 识别在掺杂体系中导致增强配对相互作用的轨道特征。

提出的方法

• 在SrTiO3衬底上生长的FeSe单层上进行原位钾沉积，以实现高电子掺杂水平。
• 利用角分辨光电子能谱（ARPES）直接探测费米面和电子结构的演化。
• 监测布里渊区中心电子口袋的出现，作为第二次李斯列夫茨转变的标志。
• 测量作为掺杂浓度函数的超导转变温度（Tc），以关联Tc提升与电子结构变化的关系。
• 分析费米面特征的轨道特性，特别关注dxy轨道在配对中的作用。
• 将观测到的电子结构演化与轨道依赖性超导性的理论模型进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在电子掺杂的FeSe单层中，是否伴随增强超导性而出现第二次李斯列夫茨转变，其标志为布里渊区中心出现电子口袋？
• RQ2 通过钾沉积实现的电子掺杂如何改变FeSe/STO中费米面的拓扑结构与超导转变温度？
• RQ3 dxy轨道在该体系中增强超导配对的机制中起何种作用？
• RQ4 观测到的Tc提升15 K是否可直接归因于李斯列夫茨转变后新电子口袋的出现？

主要发现

• 通过原位钾沉积电子掺杂，在FeSe单层中观测到Tc提升15 K，Tc在掺杂后超过50 K。
• Tc的提升与第二次李斯列夫茨转变直接相关，其标志为布里渊区中心出现电子口袋。
• 掺杂体系的费米面不包含空穴型口袋，证实了与李斯列夫茨转变一致的拓扑变化。
• ARPES测量结果表明，dxy轨道在增强的超导配对机制中起主导作用。
• 结果表明，FeSe单层中的超导配对强烈依赖轨道特性，其中dxy轨道在高Tc行为中起核心作用。
• 观测到的Tc提升无法仅用常规电子-声子耦合解释，表明存在非传统、轨道驱动的配对机制。