[论文解读] 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 39

一句话总结

本研究证明，SrTiO3基底中氧声子的电子-声子耦合可增强单层FeSe的超导性，解释了其异常高的Tc。同位素取代实验显示Tc随耦合强度线性增强，证明声子介导的配对在这一关联型高温超导体系中至关重要。

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.

研究动机与目标

• 解决单层FeSe在SrTiO3上具有异常高超导转变温度（Tc）这一长期存在的谜题。
• 研究SrTiO3基底中的电子-声子相互作用是否对Tc的增强有贡献。
• 确定声子在关联电子系统中介导超导性的角色。
• 探索通过界面电子-声子耦合工程实现更高Tc超导体的潜力。

提出的方法

• 在SrTiO3上进行同位素取代实验（16O与18O），以调节声子模式并探测其对Tc的影响。
• 利用角分辨光电子能谱（ARPES）和输运测量测定超导转变温度（Tc）。
• 分析同位素效应以量化FeSe/SrTiO3界面处电子-声子耦合的强度。
• 将观测到的Tc增强与前向散射电子-声子耦合的理论预测进行比较。
• 使用理论建模将观测到的同位素位移与声子介导的配对机制联系起来。
• 研究FeSe中的电子关联与基底中声子介导相互作用之间的相互作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 SrTiO3基底中的电子-声子耦合是否对FeSe/SrTiO3中的高Tc有贡献？
• RQ2 SrTiO3中同位素取代如何影响超导转变温度（Tc）？
• RQ3 电子-声子相互作用的本质是什么——特别是，是否以前向散射为主？
• RQ4 声子介导的配对能否解释这一关联超导体中Tc的增强？
• RQ5 界面电子-声子耦合与电子关联在多大程度上协同作用以增强超导性？

主要发现

• 在SrTiO3中用18O取代16O诱导了可测量的Tc位移，证实了声子在介导超导性中的作用。
• Tc随电子-声子耦合强度的增加而线性增强，表明存在直接的声子增强机制。
• 观测到的同位素效应与前向散射电子-声子耦合一致，这在关联超导体中较为罕见。
• Tc的增强归因于层间电子-声子相互作用与强电子关联之间的有效协同作用。
• 结果确立了声子介导的配对是实现FeSe/SrTiO3中高Tc的关键因素，解决了长期存在的谜题。
• 研究结果表明，通过定制化的界面电子-声子耦合，可为工程化更高Tc超导体提供可行路径。