科學(xué)通報(bào) | 界面超導(dǎo)新進(jìn)展: BaAs/FeAs基異質(zhì)結(jié)中的全能隙超導(dǎo)

自1986年銅氧化物高溫超導(dǎo)體被發(fā)現(xiàn)以來(lái) [1] , 非常規(guī)高溫超導(dǎo)機(jī)理一直懸而未決, 被譽(yù)為凝聚態(tài)物理的“圣杯”. 盡管經(jīng)過(guò)大量的理論和實(shí)驗(yàn)探索, 高溫超導(dǎo)電性的配對(duì)驅(qū)動(dòng)力和對(duì)稱(chēng)性仍存在很多爭(zhēng)議 [2] . 早期研究受限于單晶樣品質(zhì)量的良莠不齊, 很多實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果存在矛盾. 更棘手的是, 高溫超導(dǎo)的核心“舞臺(tái)”(如銅氧面)深藏于電荷庫(kù)層之間, 難以直接被探測(cè), 這讓它的本征超導(dǎo)電性一直被蒙上神秘面紗. 2015年, 薛其坤團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地采用氬離子刻蝕技術(shù), 把材料表面一層層“剝開(kāi)”, 就像剝洋蔥一樣, 首次在原子尺度上精準(zhǔn)地露出了銅氧面 [3] , 并在該表面觀測(cè)到了與電荷庫(kù)層不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果, 凸顯了直接測(cè)量超導(dǎo)面的重要性. 為進(jìn)一步深入解析銅氧化物超導(dǎo)的奧秘, 研究團(tuán)隊(duì)隨后將目光聚焦于電子摻雜的無(wú)限層銅氧化物. 他們通過(guò)分子束外延(moelecular beam epitaxy, MBE)技術(shù), 像搭積木一樣, 把原子一層層堆砌, 成功制備出以銅氧面為終止面的原子級(jí)平整單晶薄膜 [ 4 , 5 ] , 并觀察到無(wú)節(jié)點(diǎn)超導(dǎo)能隙的存在, 更首次觀測(cè)到能隙外的聲子共振模式. 這些突破性發(fā)現(xiàn)不僅為銅氧化物的奧秘提供了新的實(shí)驗(yàn)依據(jù), 更確證了超導(dǎo)面可能具有區(qū)別于電荷庫(kù)層的獨(dú)特電子結(jié)構(gòu)特征.

鐵基超導(dǎo)體因其電子之間相互作用相對(duì)較弱, 給研究人員提供了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì), 因此被視為探索非常規(guī)高溫超導(dǎo)機(jī)理的理想體系 [6] . 在鐵硒基超導(dǎo)體研究中, 薛其坤團(tuán)隊(duì)率先制備出高質(zhì)量單晶薄膜 [7] , 并最終導(dǎo)致了單層FeSe/SrTiO3(001)界面高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn) [8] , 引起了世界范圍內(nèi)的研究熱潮. 相比之下, 在更具代表性的鐵砷基超導(dǎo)體中卻存在難題: 它的關(guān)鍵層——鐵砷面——本身帶有“極性”, 導(dǎo)致用常規(guī)方法獲得的表面往往呈現(xiàn)顯著的結(jié)構(gòu)無(wú)序 [9] . 這一技術(shù)瓶頸嚴(yán)重制約了超導(dǎo)能隙、渦旋束縛態(tài)以及拓?fù)涑瑢?dǎo)特性等微觀物理性質(zhì)的精確表征. 如何有效解決終止面的極性問(wèn)題和抑制無(wú)序散射效應(yīng), 已成為揭示鐵基超導(dǎo)體本征超導(dǎo)機(jī)制的關(guān)鍵科學(xué)難題.

近年來(lái), 氧化物界面超導(dǎo)研究領(lǐng)域蓬勃發(fā)展 [ 10 , 11 ] , 這一體系普遍通過(guò)在絕緣氧化物界面引入載流子實(shí)現(xiàn)了二維超導(dǎo)電性. 其關(guān)鍵思路是把摻雜帶來(lái)的雜亂無(wú)序與超導(dǎo)電子配對(duì)形成區(qū)域進(jìn)行空間上的分離. 這一創(chuàng)新思路為研究鐵基超導(dǎo)體的本征超導(dǎo)特性提供了重要啟示. 以單層鐵硒/鍶鈦氧異質(zhì)結(jié)為例 [ 8 ] , 襯底不僅提供了高密度載流子, 還通過(guò)界面晶格振動(dòng)(聲子)顯著增強(qiáng)了超導(dǎo)配對(duì)強(qiáng)度, 最終實(shí)現(xiàn)了鐵基超導(dǎo)體在常壓條件下的最高轉(zhuǎn)變溫度. 類(lèi)似地, 在LaOFeAs體系中, 絕緣的LaO層作為電荷庫(kù)層, 與中間的超導(dǎo)活性單元FeAs層形成理想的界面超導(dǎo)結(jié)構(gòu), 這可能是該體系表現(xiàn)出較高超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的重要機(jī)制.

基于上述研究思路, 我們選取最具有代表性的鐵砷基超導(dǎo)薄膜Ba(Fe1– x Co x )2As2(簡(jiǎn)稱(chēng)BFCA)作為研究平臺(tái), 利用分子束外延技術(shù)構(gòu)筑新型界面結(jié)構(gòu), 旨在揭示FeAs層的本征超導(dǎo)電性 [12] . 研究團(tuán)隊(duì)成功制備出摻雜連續(xù)可控的BFCA薄膜樣品, 輸運(yùn)測(cè)量表明其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度最高可達(dá) 30?K, 顯著超越過(guò)去的同類(lèi)塊材樣品. 由于FeAs面固有的極性特征, 本征BFCA薄膜表現(xiàn)出兩種典型的表面終止結(jié)構(gòu): 金屬性的1/8Ba終止面和超導(dǎo)性的1/4Ba終止面. 值得注意的是, 1/4Ba終止面由于無(wú)序表現(xiàn)出具有明確的V形超導(dǎo)能隙結(jié)構(gòu). 為了降低表面無(wú)序帶來(lái)的負(fù)面影響, 研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地結(jié)合低溫沉積和多步退火工藝在FeAs表面成功構(gòu)筑出高質(zhì)量的BaAs界面 ( 圖1 ). BaAs面具有和FeAs相同的α-PbO結(jié)構(gòu)以及近乎完美的晶格匹配性, 因此可以有效補(bǔ)償FeAs面的極性特征. 掃描隧道顯微鏡形貌學(xué)研究表明BaAs表面具有優(yōu)異的平整度且表面原子排布與密度泛函理論高度吻合, 證實(shí)了新型界面體系的成功構(gòu)建.

圖 1 BaAs/BFCA異質(zhì)結(jié)中的全能隙超導(dǎo). 左: BaAs表面的U形超導(dǎo)能隙; 右: BaAs/BFCA異質(zhì)結(jié)的晶體結(jié)構(gòu)

在低溫下 (3.0?K), 研究團(tuán)隊(duì)在BaAs/BFCA(10-UC)異質(zhì)結(jié)表面觀測(cè)到U形能隙結(jié)構(gòu), 證實(shí)了電子摻雜鐵砷基超導(dǎo)體中的全能隙超導(dǎo)電性( 圖1 左). 變溫實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步表明這個(gè)超導(dǎo)能隙遵循傳統(tǒng)的BCS平均場(chǎng)理論, 能隙閉合溫度達(dá)到 26?K. 通過(guò)逐層削薄BFCA薄膜厚度, 研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)該U形能隙穩(wěn)健存在, 即使在單胞層厚的BFCA薄膜和BaAs異質(zhì)結(jié)構(gòu)中仍可觀測(cè)到穩(wěn)定的U形能隙, 證實(shí)BaAs/BFCA異質(zhì)結(jié)為本征二維超導(dǎo)體. 值得注意的是, 輸運(yùn)測(cè)量發(fā)現(xiàn)無(wú)BaAs修飾的BFCA薄膜的超導(dǎo)臨界溫度隨著薄膜厚度降低而迅速下降, 這一現(xiàn)象可能源于襯底應(yīng)力和無(wú)序散射效應(yīng)對(duì)長(zhǎng)程超導(dǎo)序參量的影響. 在面外磁場(chǎng)條件下, 研究團(tuán)隊(duì)在BaAs/BFCA異質(zhì)結(jié)表面觀測(cè)到清晰的磁通渦旋及其伴隨的零能電導(dǎo)峰, 不僅表明該體系為第二類(lèi)超導(dǎo)體, 更為深入探索鐵砷基超導(dǎo)體中的拓?fù)涑瑢?dǎo)電性提供了理想平臺(tái).

為了深入解析BaAs/BFCA異質(zhì)結(jié)中全能隙超導(dǎo)態(tài)的物理起源, 研究團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)比較了BFCA薄膜1/4Ba終止面的V形超導(dǎo)能隙特征, 能隙內(nèi)存在顯著的剩余態(tài)密度. 雙能隙模型擬合結(jié)果表明, 盡管BaAs/BFCA與1/4Ba-BFCA體系的超導(dǎo)能隙幅值相近, 暗示兩者可能具有相當(dāng)?shù)碾娮优鋵?duì)強(qiáng)度, 但其準(zhǔn)粒子散射壽命卻呈現(xiàn)顯著差異: 1/4Ba表面的準(zhǔn)粒子散射壽命為1.2 meV, 而B(niǎo)aAs修飾界面展現(xiàn)出異常潔凈的超導(dǎo)特征( Γ = 0.08 meV), 散射強(qiáng)度降低達(dá)兩個(gè)數(shù)量級(jí). 這一關(guān)鍵對(duì)比實(shí)驗(yàn)直接證實(shí), 通過(guò)BaAs界面工程實(shí)現(xiàn)的原子級(jí)平整表面可有效抑制雜質(zhì)散射效應(yīng), 為揭示本征超導(dǎo)特性提供了理想平臺(tái).

最后, 通過(guò)對(duì)電子摻雜水平的高精度連續(xù)調(diào)控, 研究團(tuán)隊(duì)成功繪制了BaAs/BFCA異質(zhì)結(jié)體系的完整超導(dǎo)相圖, 揭示了其穹頂型演化規(guī)律. 值得注意的是, 異質(zhì)結(jié)超導(dǎo)能隙尺寸與輸運(yùn)測(cè)量獲得的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度變化趨勢(shì)高度一致, 這一關(guān)聯(lián)性不僅證實(shí)了異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的電子摻雜行為與體材料BFCA具有相同的物理機(jī)制, 更重要的是揭示了界面工程在探索本征超導(dǎo)特性方面的獨(dú)特價(jià)值. 第一性原理計(jì)算進(jìn)一步從電子結(jié)構(gòu)層面支持了這一實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn), 為理解界面調(diào)控對(duì)超導(dǎo)特性的影響提供了理論依據(jù).

鋇砷/鐵砷異質(zhì)結(jié)體系中觀測(cè)到的全能隙超導(dǎo)態(tài)為高溫超導(dǎo)機(jī)理研究提供了全新的物理視角, 同時(shí)也為探索新型高溫超導(dǎo)材料體系指明了重要方向. 在層狀高溫超導(dǎo)體中, 較弱的層間耦合作用使得超導(dǎo)電性主要源于單個(gè)原胞層內(nèi)的物理過(guò)程, 因此超導(dǎo)層與電荷庫(kù)層之間的界面耦合機(jī)制具有決定性作用. 這種耦合具有雙重效應(yīng): 一方面, 電荷庫(kù)層通過(guò)載流子摻雜為超導(dǎo)電性提供了必要的配對(duì)電子態(tài); 另一方面, 摻雜引入的結(jié)構(gòu)無(wú)序和雜質(zhì)散射又會(huì)顯著抑制超導(dǎo)序參量的建立. 研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)系統(tǒng)的界面工程研究發(fā)現(xiàn), 對(duì)電荷庫(kù)層進(jìn)行精確修飾不僅可以調(diào)控超導(dǎo)能隙的結(jié)構(gòu), 還能顯著影響磁通渦旋的動(dòng)力學(xué)行為, 這為理解雜質(zhì)散射對(duì)超導(dǎo)態(tài)的影響機(jī)制提供了直接實(shí)驗(yàn)證據(jù).

結(jié)合研究團(tuán)隊(duì)過(guò)去在鐵硒 [ 8 , 13 ] 、銅氧化物 [5] 以及富勒烯 [14] 等多種高溫超導(dǎo)薄膜中成功實(shí)現(xiàn)的全能隙超導(dǎo)態(tài)的觀測(cè), 這些成果最終導(dǎo)向了一個(gè)普適性的材料設(shè)計(jì)原則: 構(gòu)建具有原子級(jí)平整界面、極低雜質(zhì)散射和本征二維特性的新型異質(zhì)結(jié)構(gòu)體系. 這一研究范式不僅為理解鐵基超導(dǎo)體中無(wú)節(jié)點(diǎn)超導(dǎo)配對(duì)機(jī)制開(kāi)辟了新途徑, 更重要的是為未來(lái)拓?fù)涑瑢?dǎo)材料、量子信息器件等前沿領(lǐng)域的材料設(shè)計(jì)提供了可推廣的技術(shù)路線.

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