上海交大教授观察到双分子层厚的FeSe超导薄膜的迈斯纳效应

来源：上海交通大学

最近，国际物理学权威期刊Physical Review Letters以“Diamagnetic response of potassium-adsorbed multilayer FeSe film”为题发表了上海交通大学物理与天文学院刘灿华教授与贾金锋教授研究组在超导薄膜研究方面的最新成果。他们利用自行研制的多功能扫描隧道显微镜（STM+），成功地测量到了双分子层厚度的FeSe薄膜表面吸附钾原子之后的抗磁响应，观察到了钾原子吸附量对该薄膜超导特性的调控作用，并获得了各种超导参数（超导能隙、超导转变温度和超流密度等）在调控作用下的变化，从而揭示了相刚度而非配对势是决定FeSe超导层的超导转变温度的主要因素。这一研究成果清楚的回答了非常规超导研究领域的一个长期以来存在的问题：超导转变温度的决定性因素是什么？这对进一步深入理解非常规超导机理具有重要意义。该论文已于12月20日在线发表【Phys. Rev. Lett. 123, 257001 (2019）】。

超导研究领域的两大动力，一个是找到转变温度（Tc）更高的超导材料，一个是理解非常规超导机理。事实上，两大类的非常规超导体，铜基和铁基超导体，都是层状材料，其超导层CuO、FeAs或者FeSe层，受到了邻近层的电荷掺杂之后才具有了高温超导特性。因而，近年来就有很多工作希望直接对这些超导层进行电荷掺杂和研究，这其中尤以对FeSe层的研究最具代表性。在合适的衬底上利用分子束外延法生长出单层或多层的FeSe薄膜是最近研究的热点。国内外有多个课题组的近期工作发现，在这样的FeSe薄膜表面，吸附上适量的K原子，可以改变FeSe薄膜的超导能隙的大小。这是因为K原子的电负性非常小，很容易转移一部分电子给FeSe薄膜（如图a所示），因此，控制K原子的吸附量，即是控制了FeSe薄膜所能获取的电子数量，从而有望达到对FeSe超导特性的调控。

不过，仅仅是确定了能隙大小的改变对于超导的研究是不够的。对一个材料具有超导特性的判断依据是要测量到它的零电阻和/或迈斯纳效应（完全抗磁性）。然而，对于表面吸附了K原子的FeSe薄膜而言，这种物性测量是很困难的。其原因在于K原子具有非常强的化学活性，使得该薄膜样品无法脱离超高真空环境，也就无法接受传统实验技术手段的物性测量。而这正是刘灿华教授与贾金锋教授课题组近年来研发的多功能扫描隧道显微镜（STM+）大显身手的地方。他们将普通的STM的核心部件进行改造，使其具有普通STM的一切基本功能之外，还能对样品进行四探针电输运和双线圈交流互感的原位测量。换句话说，若是对超导样品进行测量，普通STM只能获得样品的原子排列（如图b所示，每个亮点就是一个K原子）和超导能隙等结构方面的信息，而STM+还能测到样品的电输运和抗磁响应等物理性质，从而获得超导转变温度、穿透深度和超流密度等重要信息。

实验中，他们对同一块高质量的双层FeSe薄膜样品表面进行了不同覆盖度K原子的吸附，并对每个K覆盖度下的FeSe薄膜采集了上述多种实验数据，从而得到了一系列实验结果：1，超导转变温度随着K原子覆盖量的增加呈现先升后降的Dome型变化（图c），这虽然与众多非常规超导材料很相似，但却是在FeSe衍生超导材料当中首次观察到如此完整而连续的相变行为；2，超导能隙与超导转变温度的比值随着K覆盖度的增加并不是一个恒定的值（图d），这意味着超导配对势无法决定超导转变温度的高低；3，超导转变温度与超流密度呈现线性的变化关系（图e），这意味着相刚度是决定转变温度高低的主要因素。

这项工作的主要实验数据由博士生姚钢采集分析，段明超参与研发并制作了抗磁测量的核心部件，从而保证了实验的顺利开展，刘宁宁和吴艳伏分别在数据分析和采集方面作了大量协助工作。刘灿华教授特别感谢李政道研究所顾威教授在该工作过程中给予的有益讨论。该工作受到了科技部重点研发计划，基金委多个项目，上海市人才高峰工程，中科院前沿科学重点研究计划和战略性先导科技专项的支持。

论文连接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.123.257001