[论文解读] 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 1

一句话总结

本研究识别出单原子层FeSe薄膜中FeSe电子与SrTiO3（STO）中氧光学声子之间界面耦合是提高超导转变温度（Tc）的关键机制。利用高分辨率角分辨光电子能谱（ARPES），作者观测到表明低动量转移耦合的振动能带，该耦合稳定了库珀对并使Tc提升至接近液氮温度，表明通过界面模式耦合设计高温超导体的新途径。

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.

研究动机与目标

• 理解单原子层FeSe在SrTiO3（STO）衬底上表现出异常高Tc的起源。
• 研究STO衬底是否在简单晶格匹配之外对增强超导性有所贡献。
• 确定玻色子模式（特别是STO中的氧光学声子）在介导电子配对中的作用。
• 探讨界面电子-声子耦合如何在主要由自旋涨落主导的体系中增强超导性。

提出的方法

• 采用高分辨率角分辨光电子能谱（ARPES）探测单原子层FeSe/STO薄膜的电子结构。
• 对ARPES数据进行分析，以检测指示电子-玻色子耦合的振动能带。
• 量化耦合的动量转移，评估其对超导配对通道的影响。
• 进行理论计算，以模拟界面声子耦合对超导能隙和Tc的影响。
• 在不同配对对称性通道中评估耦合强度及其对超导配对的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过ARPES在单原子层FeSe/STO薄膜中观测到的玻色子模式耦合的本质是什么？
• RQ2 FeSe电子与STO声子之间低动量转移如何影响超导配对？
• RQ3 在主要由自旋涨落驱动的体系中，界面电子-声子耦合能否增强Tc？
• RQ4 FeSe电子与STO中氧光学声子的耦合在多大程度上贡献于观测到的高Tc？
• RQ5 所观测到的耦合机制是否能够在多个配对通道中稳定库珀对？

主要发现

• ARPES测量在单原子层FeSe/STO中揭示了明显的振动能带，表明与具有小动量转移的玻色子模式发生耦合。
• 所观测到的玻色子模式被确定为SrTiO3衬底中的氧光学声子。
• FeSe电子与STO声子之间的耦合发生在低动量转移区域，这种特性虽不寻常但对超导性有利。
• 这种电子-声子耦合在多个配对通道中均增强了超导性，包括由自旋涨落介导的通道。
• 理论建模证实，此类耦合是导致单原子层FeSe/STO中超导能隙打开温度升高的原因。
• 研究结果表明，通过受控的界面模式耦合工程化高温超导体具有可行性。