极端张力作用下FeSe/SrTiO3/KTaO3异质结内的单层FeSe的超导增强和各向异性的超导能隙的光电子能谱研究

自从只有电子型费米面的铁基超导(e-HTSs)被发现以来,这类超导中的超导配对对称性问题已经成为铁基超导研究中悬而未决的关键问题。为了解释角分辨光电子能谱和中子散射实验中分别观测到的超导序参量的各向同性和相位反号现象,各种新奇的配对对称性理论被提出,它们基于M点为椭圆形的费米面,提出在不同的费米面段上有着序参量的反号。然而,在迄今为止发现的e-HTSs(包括AFe2Se2和单层FeSe)中,M点的费米面都为近似简并、低椭圆度的形状,不能对这些理论给出实验性的判据。另一方面,最近各项实验结果表明在SrTiO3衬底上的单层FeSe中发现了65K的超导配对温度以及应力依赖的共线反铁磁行为。因此调节拉伸应力、设计新型的e-HTSs的研究对于提高铁基超导转变温度、研究配对对称性都十分重要。

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我们通过分子束外延设计异质结FeSe/SrTiO3/KTaO3(如图1(a)所示),保持FeSe/SrTiO3界面不变的情况下人工调控单层FeSe的面内晶格至3.989 Å的极高值(如图1(b)所示),并利用原位角分辨光电子能谱系统地研究了它的电子结构和超导能隙。在这种薄膜中,我们发现了超导能隙在高达70K才闭合(如图1(c)所示),相比于之前FeSe/SrTiO3提高了5K(如图1(d)所示),是铁基超导中的超导配对温度的最高记录。另外,在增加的张力作用下,单层FeSe中的电子型费米面为两个交叉的椭圆形而不再简并,但并没有能带交叉的杂化现象(如图1(e)所示),这是第一次在e-HTss中观测到清晰的费米面退简并现象。超导能隙的分布表现为各向异性但没有节点,在电子费米面交叉点为极小值(如图1(f)所示)。这表明在e-HTSs中仍然为s波的配对对称性,并给各种新奇配对对称性的理论提供了强有力的实验约束。此外,我们的实验还表明,利用人工界面工程的调制是研究铁基超导电子结构、超导机制以及提高超导电性的新型有效工具。该结果发表在Physical Review Letters 112, 107001 (2014)上。