MnTe/Bi2Te3/Fe(Te,Se)异质结中的零能态和增强超导能隙

我们课题组与南京大学万贤纲、东南大学施智祥研究组合作,在一种新型磁性/超导异质结MnTe/Bi2Te3/Fe(Te,Se)中发现了零能束缚态和增强的超导能隙。理论计算表明该体系可能具有非共线磁结构,为实现磁性/超导界面中的新型拓扑超导电性提供了良好平台。该工作以“Observation of robust zero-energy state and enhanced superconducting gap in a trilayer heterostructure of MnTe/Bi2Te3/Fe(Te, Se)”为题发表于Science Advances 8, eabq4578 (2022)上。

长期以来,磁性材料和超导体的界面由于可能产生非常规超导(例如自旋三重态配对)而一直受到关注。最近有理论预言某些非共线磁结构(例如斯格明子)可在s波超导体中诱导出拓扑超导电性和马约拉纳零能模。由于斯格明子等磁结构容易被磁场、电流所调控,这为马约拉纳零能模的操纵提供了潜在的途径。

为了探索该类界面,课题组在Fe(Te,Se)衬底上依次生长了Bi2Te3和MnTe薄膜,形成了原子级平整的三层结构异质结(图A,B)。这里Bi2Te3是拓扑绝缘体材料,具有强自旋轨道耦合;而MnTe是二维磁性材料,具有面间反铁磁性和面内铁磁性。课题组利用极低温STM,在异质结的单层MnTe区域发现超导近邻效应(图D),并且在表面许多独立区域观测到零偏压电导峰(图C,E-G)。重要的是这些零能峰不随磁场劈裂并在低势垒下显示出隧穿电导的饱和行为(图H,I),符合马约拉纳准粒子态的特征。另外实验还发现单层MnTe的近邻超导能隙比Fe(Te,Se)的能隙有显著增大(达到1.5倍),是与一般近邻效应不同的反常现象。而作为对比,反铁磁的双层MnTe中不存在任何零能态和增强能隙,这意味着单层MnTe的磁性在这些现象中起到了重要作用。通过理论计算,研究组发现MnTe/ Bi2Te3界面因为打破了空间反演并具有强自旋轨道耦合,磁矩间Dzyaloshinskii-Moriya (DM) 作用得到显著增强(D ~ 4.2 meV)。而DM作用是产生非共线磁结构的首要因素,因此这些偏压电态可能是某些磁结构所诱导的,是拓扑超导电性产生的重要迹象。

该工作得到了科技部重点研发计划、科技创新2030计划、国家自然科学基金、上海市科委基金等项目支持。

论文链接:
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abq4578

MnBiTe

图 (A): MnTe/Bi2Te3/Fe(Te,Se)异质结的表面形貌和原子分辨图像。 (B): 异质结的外延结构示意图。(C): 零偏压电导成像,显示出单层MnTe区域具有能隙内束缚态,而其它区域没有。(D):单层MnTe增强的超导能隙(~2.9meV),而Fe(Te,Se)的能隙只有1.9meV。(E,F,G): 单层MnTe区域内的零偏压电导峰。(H):零偏压电导峰随磁场的依赖关系。(I): 零偏压电导随隧穿势垒的降低趋于饱和,非零能处的电导则一直增加。

Cr自旋密度波的实空间观测

自旋密度波(Spin density wave, SDW)是一种经典的巡游电子磁有序。它在过渡金属、非常规超导和重费米子体系中都有发现,表现为实空间中的自旋幅度调制。SDW的形成一般是费米面嵌套和电子关联效应的共同作用,其调制周期可与晶格脱耦(非公度SDW),并可能与非常规超导机制、电荷密度波态等密切相关,因此一直是强关联领域重要研究课题。自发现以来,SDW的观测多采用中子衍射、XRD 等宏观手段;然而对其微观实空间的测量非常少,这主要是因为原子尺度上的自旋探测手段比较缺乏。


自旋极化STM 是一种具有原子级分辨率的自旋探测手段,它对仪器测量精度和样品表面质量要求很高,目前国际上只有很少几个STM 组能够实现。最近我们课题组通过制作覆盖磁性材料的针尖,成功在稀释制冷STM 系统中获得了自旋分辨,并实现了自旋密度波的实空间观测。该工作针对Cr 这一经典SDW体系开展,我们制备了清洁的Cr(001)表面,进而观测到了对应费米面嵌套波矢的非公度自旋调制。通过矢量磁场控制针尖极化,我们确定了其自旋结构为线性极化的SDW (而非螺旋磁),这是首个对SDW 磁结构的实空间表征。与此同时,课题组还观测到周期为SDW 一半的电荷密度波(CDW),并发现其在费米面之下打开一个反常能隙。实空间的直接测量表明SDW 和CDW 具有相同畴结构和相位,体现出伴生序关系。该工作将自旋极化STM 拓展到巡游磁性研究中,体现了实空间测量对确定磁有序自旋结构和其与伴生序相互关系上的重要作用。也为将来研究非常规超导体系中的磁性等打下重要基础。该工作发表于Nat. Commun. 13, 445 (2022)

SDW-zhangtong

图a, 在同一区域不同能量下展现的SDW和CDW条纹,其周期呈现2倍关系;b, 铬单晶中的自旋排列示意图,既有长程SDW调制,又有层间反铁磁耦合;c, 结合矢量磁场和磁性针尖测量样品表面磁矩在各个方向的分量及其空间分布。

发现FeSe/LaFeO3界面的高温超导电性和界面增强机制

单层铁硒(FeSe)薄膜生长在钛酸锶(SrTiO3)衬底上之后,可以获得约65 K的超导配对温度,相对于FeSe块材得到了极大的提高,引发了人们广泛的兴趣和关注。其中氧化物衬底与FeSe薄膜之间的界面被认为对超导增强起到了重要作用。通过改换衬底,探索不同界面对FeSe薄膜的超导电性的影响可以为进一步研究其中的超导机理提供关键的信息。此前人们仅在SrTiO3、BaTiO3、TiO2等几种钛氧化物衬底与单层FeSe形成的FeSe/TiOx界面中发现高温超导。我们尝试在一种非钛氧化物——铁酸镧(LaFeO3)衬底上生长单层FeSe薄膜,成功获取了高质量的样品。我们利用高分辨的扫描透射电镜(STEM)确定了它具有一种全新的FeSe/FeOx界面,并在这个体系中观察到了17 meV的超导能隙,以及相应的80 K的超导配对温度,这在目前所有的界面超导体系中是最高的。该体系也是第一个FeSe/TiOx界面以外的具有高温超导的界面体系。更为重要的是,我们在该体系中验证了界面电声子相互作用对超导的增强机制在FeSe与氧化物形成的界面超导当中是普适的。同时,通过将FeSe/FeOx与FeSe/TiOx界面对比,我们发现通过缩短界面间距可以提高界面电声子耦合强度从而增强超导,为将来设计高温超导界面提供了全新的思路。

文章发表于:Y. H. Song, Z. Chen, Q. H. Zhang, H. C. Xu, X. Lou, X. Y. Chen, X. F. Xu, X. T. Zhu, R. Tao, T. L. Yu, H. Ru, Y. H. Wang, T. Zhang, J. D. Guo*, L. Gu*, Y. W. Xie*, R. Peng*, D. L. Feng*, High temperature superconductivity at FeSe/LaFeO3 interface, Nat. Commun. 12, 5926 (2021)

KTO Fig
图:(a) 单层FeSe/LaFeO3原子结构示意图 ;(b) 扫描透射电镜高角环形暗场像; (c) 角分辨光电子能谱得到的样品布里渊区M点能带;(d) M点费米穿越处超导能隙 (e) 不同磁场下的互感抗磁信号

对4f1和4f2电子填充型方钴矿重费米子材料不同Kondo屏蔽行为的研究

具有4f1电子构型的重费米子材料已经获得了广泛的研究,例如其中的c-f杂化及其变温行为很好地解释了低温下比热系数的异常。然而,不同于4f1电子构型材料,对4f2电子构型材料的研究非常匮乏,尚没有对其微观电子行为的系统性实验研究。Kondo杂化行为在4f1、4f2电子构型材料中会有什么区别?这个依然是个亟待解决的问题。
填充型方钴矿结构材料CeOs
4Sb12、PrOs4Sb12为这一研究方向提供了理想的平台:具备4f1电子构型的COS存在Kondo杂化导致的绝缘体转变,而具备4f2电子构型的POS是一个重费米子超导体。通过角分辨光电子能谱(ARPES)研究,我们揭示了这一区别的微观起源。二者在eV尺度上的电子结构相似[Fig. 1],反映了ROs4Sb12 (R = 稀土元素)系统的共性。然而,导带电子和f电子的杂化差异明显。在COS中我们观察到了导带电子和f电子的强烈杂化以及因此产生的能带依赖的能隙,并通过变温实验直接观测了Kondo绝缘态的形成[Fig. 2(a)]。虽然4f2电子构型的基态亦是带磁性的自旋单态,POS中导带电子和f电子的杂化显得强度有限且非相干[Fig. 2(b)]。该现象可以通过由热激发产生的非磁性自旋三态的Kondo散射理解。我们的结果不仅推动了对COS和POS迥异物性的研究,而且为理解4f1、4f2电子构型重费米子材料提供了清晰的微观图像。

CeOsSb Fi
Fig. 1: CeOs4Sb12、PrOs4Sb12的电子结构。


CeOsSb Fig2
Fig. 2: CeOs4Sb12的共振变温结果、PrOs4Sb12的共振和非共振结果对比。


文章发表于:X. Lou, T.L. Yu, Y.H. Song, C.H.P. Wen, W.Z. Wei, A. Leithe-Jasper, Z.F. Ding, L. Shu, S. Kirchner, H.C. Xu, R. Peng, and D.L. Feng, Distinct Kondo Screening Behaviors in Heavy Fermion Filled Skutterudites with 4f1 and 4f2 Configurations, Physical Review Letters 126.13 (2021): 136402