物理所實(shí)驗(yàn)觀察(Li,Fe)OHFeSe超導(dǎo)體與單層FeSe薄膜超導(dǎo)電性的共同電子結(jié)構(gòu)起源

　　鐵基超導(dǎo)體作為繼銅氧化物超導(dǎo)體之后的第二類高溫超導(dǎo)體，其超導(dǎo)機(jī)理是凝聚態(tài)物理研究的重要課題。絕大多數(shù)鐵基超導(dǎo)體具有位于布里淵區(qū)中心的空穴型費(fèi)米面和位于布里淵區(qū)頂角的電子型費(fèi)米面。一種普遍的超導(dǎo)機(jī)理（費(fèi)米面“嵌套”）認(rèn)為，電子在電子型與空穴型費(fèi)米面之間的散射，是鐵基超導(dǎo)體中電子配對(duì)和超導(dǎo)電性產(chǎn)生的主要原因。

　　2012年初，清華大學(xué)薛其坤研究組和中國科學(xué)院物理研究所表面實(shí)驗(yàn)室馬旭村研究組報(bào)道了在SrTiO3襯底上生長的單層FeSe薄膜中可能存在液氮溫區(qū)高溫超導(dǎo)電性的結(jié)果【Chin. Phys. Lett. 29 (2012) 037402】。單層FeSe/SrTiO3薄膜中高溫超導(dǎo)電性的起源，尤其是界面對(duì)超導(dǎo)增強(qiáng)的作用，成為超導(dǎo)研究的另一個(gè)熱點(diǎn)問題。中科院物理研究所／北京凝聚態(tài)物理國家實(shí)驗(yàn)室(籌)超導(dǎo)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室周興江研究組，隨后從單層FeSe/SrTiO3超導(dǎo)薄膜的能隙測(cè)量上觀察到65K的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變跡象，并發(fā)現(xiàn)了其簡(jiǎn)單、獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu): 不存在布里淵區(qū)中心的空穴型費(fèi)米面，只具有布里淵區(qū)頂角處的電子型費(fèi)米面【Nature Communications 3 (2012) 931；Nature Materials 12 (2013) 605 】。這些結(jié)果，結(jié)合之前在AxFe2-ySe2超導(dǎo)體中觀察到的類似費(fèi)米面的結(jié)果，對(duì)鐵基超導(dǎo)體超導(dǎo)機(jī)理的費(fèi)米面嵌套理論提出了嚴(yán)重挑戰(zhàn)。但是，單層FeSe/SrTiO3薄膜和AxFe2-ySe2超導(dǎo)體這兩類材料中牽涉到的界面效應(yīng)和相分離等的復(fù)雜性，使得一些人認(rèn)為它們有可能具有有別于絕大多數(shù)塊材鐵基超導(dǎo)體的特殊超導(dǎo)機(jī)理，進(jìn)而質(zhì)疑它們是否構(gòu)成排除費(fèi)米面嵌套理論的充分證據(jù)。

　　周興江研究組的副研究員趙林、何少龍，博士生梁愛基、胡勇和劉德發(fā)等人，與中科院院士趙忠賢、研究員董曉莉以及中國人民大學(xué)教授盧仲毅和劉凱等合作，利用高分辨角分辨光電子能譜技術(shù)，率先對(duì)新近發(fā)現(xiàn)的(Li,Fe)OHFeSe超導(dǎo)體的電子結(jié)構(gòu)和超導(dǎo)能隙展開了研究，獲得了重要結(jié)果，對(duì)理解鐵基超導(dǎo)體的超導(dǎo)機(jī)理和單層FeSe/SrTiO3薄膜的高溫超導(dǎo)電性的起源，提供了重要信息。

　　他們的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，(Li,Fe)OHFeSe超導(dǎo)體的電子結(jié)構(gòu)與單層FeSe/SrTiO3超導(dǎo)薄膜和AxFe2-ySe2超導(dǎo)體非常相似（如圖1）：圍繞布里淵區(qū)中心Γ點(diǎn)沒有空穴型的費(fèi)米面，而只在布里淵區(qū)的頂角M點(diǎn)存在電子型的費(fèi)米面。進(jìn)一步的對(duì)比表明，三者的能帶結(jié)構(gòu)也顯示出驚人的相似性（圖2）。(Li,Fe)OHFeSe的超導(dǎo)能隙表現(xiàn)為近各向同性，不存在能隙為零的節(jié)點(diǎn)（圖3，圖4），這也與單層FeSe/SrTiO3超導(dǎo)薄膜和AxFe2-ySe2超導(dǎo)體的超導(dǎo)能隙特征類似。

　　(Li,Fe)OHFeSe新超導(dǎo)體與單層FeSe/SrTiO3超導(dǎo)薄膜和AxFe2-ySe2超導(dǎo)體表現(xiàn)出相似的電子結(jié)構(gòu)及超導(dǎo)能隙結(jié)構(gòu)，預(yù)示了它們可能具有共同的超導(dǎo)機(jī)理，這為理解單層FeSe/SrTiO3超導(dǎo)薄膜的高溫超導(dǎo)電性的產(chǎn)生及界面效應(yīng)提供了重要信息。與單層FeSe/SrTiO3超導(dǎo)薄膜和AxFe2-ySe2超導(dǎo)體不同的是，(Li,Fe)OHFeSe超導(dǎo)體為單一純相的體材料，并且具有相當(dāng)高的超導(dǎo)溫度(~42K)，這為與絕大多數(shù)塊材鐵基超導(dǎo)體的直接比較提供了可能。在(Li,Fe)OHFeSe超導(dǎo)體中觀察到僅有電子型費(fèi)米面存在這樣獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)，可以徹底排除以空穴型費(fèi)米面與電子型費(fèi)米面之間的電子散射作為鐵基超導(dǎo)體中超導(dǎo)電子配對(duì)起源的費(fèi)米面嵌套理論。

　　相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在近期的Nature Communications上 【Lin Zhao et al.， Common Electronic Origin of Superconductivity in (Li,Fe)OHFeSe Bulk Superconductor and Single-Layer FeSe/SrTiO3 Films, Nature Communications 7, 10608 (2016)】。