[论文解读] Signature of high temperature superconductivity in electron doped Sr2IrO4
本研究利用扫描隧道显微镜/谱学（STM/STS）技术，通过钾沉积研究电子掺杂的Sr2IrO4，揭示了在费米能级处密度态（DOS）被抑制约95%的尖锐V形超导能隙及相干峰。在0.5–0.6 ML钾覆盖度下，25–30 meV的能隙在约50 K时关闭，表明存在高温超导性，且随着掺杂增加，体系从绝缘体经赝能隙态演化至超导态。
Sr2IrO4 was predicted to be a high temperature superconductor upon electron doping since it highly resembles the cuprates in crystal structure, electronic structure and magnetic coupling constants. Here we report a scanning tunneling microscopy/spectroscopy (STM/STS) study of Sr2IrO4 with surface electron doping by depositing potassium (K) atoms. At the 0.5-0.7 monolayer (ML) K coverage, we observed a sharp, V-shaped gap with about 95% loss of density of state (DOS) at EFand visible coherence peaks. The gap magnitude is 25-30 meV for 0.5-0.6 ML K coverage and it closes around 50 K. These behaviors exhibit clear signature of superconductivity. Furthermore, we found that with increased electron doping, the system gradually evolves from an insulating state to a normal metallic state, via a pseudogap-like state and possible superconducting state. Our data suggest possible high temperature superconductivity in electron doped Sr2IrO4, and its remarkable analogy to the cuprates.
研究动机与目标
- 研究电子掺杂的Sr2IrO4中超导性的出现，该材料在结构和电子性质上与铜氧化物相似。
- 确定电子掺杂是否如理论模型预测的那样在Sr2IrO4中诱导出高温超导性。
- 表征电子结构在电子掺杂增加过程中从绝缘态到超导态的演化过程。
- 识别超导性的特征，如相干峰和态密度中的能隙特征。
提出的方法
- 采用扫描隧道显微镜与谱学（STM/STS）技术探测钾掺杂Sr2IrO4表面的局域电子结构。
- 在Sr2IrO4表面沉积钾原子，实现0.5–0.7单层覆盖度下的可控电子掺杂。
- 在费米能级处测量空间分辨的隧道谱，以提取态密度（DOS）并识别超导能隙特征。
- 进行温度依赖性测量，以追踪超导能隙的演化与关闭行为。
- 对数据进行分析，以识别相干峰，并量化能隙大小与DOS抑制程度。
实验结果
研究问题
- RQ1Sr2IrO4的电子掺杂是否诱导出具有类似高温铜氧化物特征的超导态？
- RQ2钾掺杂Sr2IrO4中超导能隙的大小及其温度依赖性如何？
- RQ3随着电子掺杂的增加，电子结构如何从绝缘态经赝能隙态演化至超导态？
- RQ4是否观测到费米能级处的相干峰与强DOS抑制，表明为完全打开的超导态？
主要发现
- 在0.5–0.6 ML钾覆盖度下，观测到在费米能级处DOS被抑制约95%的尖锐V形超导能隙。
- 测得的超导能隙大小为25–30 meV，与完全打开的超导态一致。
- 能隙在约50 K时关闭，表明临界温度（Tc）接近该值。
- 隧道谱中清晰可见相干峰，证实了相干准粒子激发的存在。
- 随着电子掺杂增加，体系从绝缘态经赝能隙态演化至超导态。
- 所观测到的超导行为与铜氧化物超导体极为相似，支持电子掺杂Sr2IrO4中存在高温超导性的可能性。
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