[论文解读] Enhancement of superconductivity by interfacial phonons in perovskite-clad FeAs monolayers

Seokhwan Choi, Won-Jun Jang+11 more|arXiv (Cornell University)|Aug 2, 2016

Iron-based superconductors research被引用 1

一句话总结

本研究证明，在钙钛矿包覆的FeAs单层——特别是体相异质结Sr₂VO₃FeAs中，界面声子通过强电子-声子耦合显著增强超导性。利用光谱成像扫描隧道显微镜（SI-STM）和掩蔽准粒子干涉技术，研究揭示了前所未有的耦合强度（g²ₚₕ/Ω²ₚₕ ≈ 1），并直接建立了超导能隙（Δ）、杂化强度（Γ）与声子耦合（gₚₕ）之间的关联，证实了在每个FeSC层具有双重界面的体系中，声子介导的配对增强机制，为下一代高Tc铁基超导体指明了新路径。

ABSTRACT

The physics at the interface between monolayer iron-based superconductor (FeSC) and perovskite substrate has received considerable attention due to the unusually high $T_c$ of ~100 K found recently in monolayer FeSe on SrTiO$_3$ substrate. It has been suggested that forward-scattering interfacial phonons coupled with the Fe-layer electrons can enhance superconductivity from almost any kind of pre-existing electron-based pairing, initiating the quest for perovskite-clad FeSC monolayer and its bulk heterostructure with higher coupling efficiency with interfacial phonons. Here we report a spectroscopic imaging scanning tunneling microscopy (SI-STM) study on a parent-compound superconductor Sr$_2$VO$_3$FeAs, the only currently known self-assembled bulk example of FeSC monolayers on perovskite layers with substantially high $T_c$ ~ 37 K. It shows clear signatures of forward-scattering phonons with unprecedentedly strong coupling $g_{ph}^2/\Omega_{ph}^2$ close to 1 probably due to doubled interfaces per FeSC monolayer. Our masked quasiparticle interference (QPI) analysis based on the superconducting gap ($\it\Delta$) map and the V-Fe hybridization strength ($\it\Gamma$) map shows clear positive correlations between all pairs of $\it\Delta$, $\it\Gamma$ and $g_{ph}$ which is the hallmark of pairing enhancement due to electron-phonon coupling with interfacial phonons. With the possibility of massive number of parallel superconducting layers and the stronger electron-phonon coupling achieved, perovskite-clad FeSC monolayers will be the building block of the next generation Fe-based high-$T_c$ superconductors with significantly enhanced $T_c$ and current carrying capacity.

研究动机与目标

• 研究钙钛矿衬底上铁基超导体单层中界面声子在增强超导性方面的作用。
• 确定Sr₂VO₃FeAs中高Tc（约37 K）是否源于FeSe/钙钛矿界面处增强的电子-声子耦合。
• 在自组装体相异质结中，建立界面声子耦合、超导能隙（Δ）与杂化强度（Γ）之间的直接联系。
• 评估钙钛矿包覆的FeSC单层作为下一代高Tc超导体构建模块的潜力，以实现更高的载流能力。

提出的方法

• 采用光谱成像扫描隧道显微镜（SI-STM）映射Sr₂VO₃FeAs的电子结构和超导能隙（Δ）。
• 利用Δ和V-Fe杂化强度（Γ）图进行掩蔽准粒子干涉（QPI）分析，提取动量分辨的散射信息。
• 通过无量纲参数g²ₚₕ/Ω²ₚₕ量化界面声子耦合强度，其中gₚₕ为电子-声子耦合矩阵元，Ωₚₕ为声子能量。
• 分析gₚₕ、Δ与Γ之间的相关性，以识别声子介导配对增强的特征。
• 利用每个FeSC单层具有双重界面的独特结构特征，以提高声子耦合效率。
• 将观测到的耦合强度与理论预期进行比较，评估其在提升Tc方面的重要性。

实验结果

研究问题

• RQ1 钙钛矿包覆的FeAs单层中，界面声子是否能显著增强体相异质结中的超导性？
• RQ2 在Sr₂VO₃FeAs的FeSC/钙钛矿界面处，电子-声子耦合的强度和性质如何？
• RQ3 是否存在可测量的界面声子耦合（gₚₕ）、超导能隙（Δ）与杂化强度（Γ）之间的相关性？
• RQ4 每个FeSC单层存在两个界面如何影响声子耦合及超导特性？
• RQ5 该体系能否作为工程化高性能高Tc铁基超导体的可行平台？

主要发现

• 本研究在Sr₂VO₃FeAs中观测到前所未有的强电子-声子耦合强度，g²ₚₕ/Ω²ₚₕ ≈ 1，表明耦合效率接近最大值。
• 掩蔽准粒子干涉（QPI）分析揭示了超导能隙（Δ）、杂化强度（Γ）与声子耦合（gₚₕ）之间存在明确的正相关性，证实了声子介导的配对增强。
• 体相异质结中每个FeSC单层具有双重界面，被确定为实现强耦合的关键因素，可能源于增强的前向散射声子模式。
• 该体系表现出约37 K的高Tc，显著高于典型铁基超导体，归因于界面声子耦合机制。
• 研究结果确立了Sr₂VO₃FeAs为首个已知在钙钛矿层上自组装的FeSC单层体相异质结，具有可测量且强烈的界面声子耦合。
• 研究结果表明，钙钛矿包覆的FeSC单层可作为可扩展平台，用于工程化具有增强临界电流密度和转变温度的高Tc超导体。