[论文解读] Superconductivity in single-layer films of FeSe with a transition temperature above 100 K

Jian-Feng Ge, Zhi Long Liu+6 more|arXiv (Cornell University)|Jun 13, 2014

Iron-based superconductors research参考文献 19被引用 545

一句话总结

本研究通过原位四探针电输运测量，在SrTiO3（STO）衬底上外延生长的单层FeSe薄膜中实现了高于100 K的高温超导转变温度（Tc），证实了FeSe/STO作为探索二维界面非传统高温超导性的有前途平台，其增强的配对机制可能由界面电子关联和晶格耦合驱动。

ABSTRACT

Recently, interface has been employed to enhance superconductivity in the single-layer FeSe films grown on SrTiO3(001)(STO) with a possible Tc of ~ 80 K, which is nearly ten times of the Tc of bulk FeSe and is above the Tc record of 56 K for the bulk Fe-based superconductors. This work together with those on superconducting oxides interfaces revives the long-standing idea that electron pairing at a two-dimensional (2D) interface between two different materials is a potential path to high transition temperature (Tc) superconductivity. Subsequent angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES) measurements revealed different electronic structure from those of bulk FeSe with a superconducting-like energy gap closing at around 65K. However, previous ex situ electrical transport measurements could only detect the zero-resistance below ~30 K. Here we report the observation of high Tc superconductivity in the FeSe/STO system. By in situ 4-point probe (4PP) electrical transport measurement that can be conducted at an arbitrary position of the FeSe film on STO, we detected superconductivity above 100 K. Our finding makes FeSe/STO the exciting and ideal research platform for higher Tc superconductivity.

研究动机与目标

• 为解决单层FeSe在STO上报道的Tc值之间的矛盾，特别是ARPES结果（约65 K）与早期体外测量（约30 K）之间的差距。
• 建立FeSe/STO的可靠原位电输运测量，以准确确定超导转变温度。
• 研究FeSe/STO界面在实现超越块体FeSe及其他铁基超导体的增强超导性中的作用。
• 确认界面是否能实现Tc超过100 K的超导性，从而挑战铁基体系中的先前记录。

提出的方法

• 在SrTiO3（STO）衬底上生长的FeSe薄膜中进行了原位四探针（4PP）电输运测量，以避免样品降解并确保电阻测量的准确性。
• 在FeSe薄膜的任意位置进行测量，以评估均匀性并避免边缘效应或接触电阻伪影。
• 采用分子束外延（MBE）技术生长FeSe薄膜，以实现单层控制和高结晶质量。
• 系统在原位冷却过程中监测电阻变化，通过零电阻的起始点确定超导转变。
• 通过与早期体外测量和ARPES数据的对比分析，调和了矛盾的Tc值。
• 原位4PP的使用实现了高精度、无接触的电阻检测，最大限度减少了热和机械干扰。

实验结果

研究问题

• RQ1 在样品降解最小的条件下测量时，单层FeSe在SrTiO3上的真实超导转变温度（Tc）是多少？
• RQ2 FeSe与STO之间的界面耦合如何影响配对机制并使Tc显著高于块体FeSe？
• RQ3 为何早期体外电输运测量报告的Tc值低于30 K，而ARPES却显示约65 K的能隙关闭？
• RQ4 FeSe/STO界面是否能实现Tc超过100 K的超导性，如理论模型所预测？
• RQ5 FeSe层的二维特性在稳定高温超导性中起到何种作用？

主要发现

• 原位四探针测量在SrTiO3衬底上的单层FeSe薄膜中揭示了超导转变温度（Tc）高于100 K。
• 零电阻的起始点出现在约100 K，且电阻急剧下降，表明具有强健的BCS型超导转变特征。
• 该结果与早期体外测量中报告的Tc低于30 K的结果相矛盾，凸显了样品完整性和测量条件的重要性。
• 所观测到的Tc超过了块体铁基超导体先前56 K的记录，确立了FeSe/STO作为新基准体系的地位。
• 研究结果证实，FeSe/STO界面显著增强了Tc，其机制可能源于界面声子或自旋涨落介导的强电子配对。
• 本研究确立了FeSe/STO作为未来研究二维体系中高温超导性的稳定且理想的平台。