[論文レビュー] Significant Tc enhancement in FeSe films on SrTiO3 due to interfacial mode coupling

J. J. Lee, F. Schmitt+12 more|arXiv (Cornell University)|Dec 10, 2013

Iron-based superconductors research被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、SrTiO3（STO）におけるFeSe電子と酸素光学フォノンの界面結合が、1ユニットセル厚さのFeSe薄膜における超伝導転移温度（Tc）を向上させる主要なメカニズムであると特定した。高分解能ARPESを用いて、低運動量移動結合を示すシャイクオフバンドが観測され、これがクーペル対を安定化させ、Tcを液体窒素温度に近づける。これは、高Tc超伝導体を設計するための新たな道筋を示唆する。

ABSTRACT

Single unit cell films of iron selenide (1UC FeSe) grown on SrTiO3 (STO) substrates have recently shown superconducting energy gaps opening at temperatures close to the boiling point of liquid nitrogen (77 K), a record for iron-based superconductors. Towards understanding why Cooper pairs form at such high temperatures, a primary question to address is the role, if any, of the STO substrate. Here, we report high resolution angle resolved photoemission spectroscopy (ARPES) results which reveal an unexpected and unique characteristic of the 1UC FeSe/STO system: shake-off bands suggesting the presence of bosonic modes, most likely oxygen optical phonons in STO, which couple to the FeSe electrons with only small momentum transfer. Such coupling has the unusual benefit of helping superconductivity in most channels, including those mediated by spin fluctuations. Our calculations suggest such coupling is responsible for raising the superconducting gap opening temperature in 1UC FeSe/STO. This discovery suggests a pathway to engineer high temperature superconductors.

研究の動機と目的

• 1ユニットセル厚さのFeSe/STO基板における異常な高いTcの起源を理解すること。
• STO基板が単なる格子マッチングを越えて、強化された超伝導性に寄与しているかどうかを調査すること。
• ボソンモード、特にSTO内の酸素光学フォノンが電子対形成を媒介する役割を特定すること。
• スピン揺らぎが支配的である系においても、界面電子フォノン結合がどのように超伝導性を強化するかを検討すること。

提案手法

• 1UC FeSe/STO薄膜の電子状態を調べるために、高分解能角度分解光電子分光法（ARPES）が用いられた。
• ARPESデータを分析し、電子＝ボソン結合を示すシャイクオフバンドを検出する。
• 結合の運動量移動を定量化し、超伝導対形成チャンネルへの影響を評価する。
• 界面フォノン結合が超伝導ギャップおよびTcに与える影響をモデル化するための理論的計算が実施された。
• さまざまな対称性チャンネルにおける結合定数と超伝導対形成への影響が評価された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ARPESにより観測された1UC FeSe/STO薄膜におけるボソンモード結合の性質は何か？
• RQ2 FeSe電子とSTOフォノン間の低運動量移動が超伝導対形成にどのように影響するか？
• RQ3 スピン揺らぎが主導する系においても、界面電子フォノン結合がTcを向上させ得るか？
• RQ4 FeSe電子がSTO内の酸素光学フォノンと結合することで、観測された高Tcにどの程度寄与しているか？
• RQ5 観測された結合メカニズムは、複数の対形成チャンネルにわたってクーペル対を安定化させ得るか？

主な発見

• ARPES測定により、1UC FeSe/STOに明確なシャイクオフバンドが観測され、小さな運動量移動を伴うボソンモードへの結合を示している。
• 観測されたボソンモードは、SrTiO3基板内の酸素光学フォノンであると特定された。
• FeSe電子とSTOフォノンの間の結合は、低運動量移動で発生しており、これは非同様であり、超伝導性にとって有益である。
• この電子フォノン結合は、スピン揺らぎが媒介するチャンネルを含め、複数の超伝導対形成チャンネルにおいて超伝導性を強化する。
• 理論的モデリングにより、このような結合が1UC FeSe/STOにおける超伝導ギャップの開く温度を上昇させることを確認した。
• これらの発見は、制御された界面モード結合を用いて高Tc超伝導体を設計するための実現可能な道筋を示唆している。