王健课题组揭示单原胞层铁碲硒薄膜的超导配对机制

铁基超导家族是揭示高温超导配对机制和研究拓扑超导特性的理想平台。其中，生长于钛酸锶衬底的单层Fe(Se,Te)膜，超导能隙高达18 meV，超导转变温度（T_c）高达62 K，远高于块材Fe(Se,Te)的T_c ≈ 14.5 K。除了实验观测到的高温超导电性外，理论预言指出单层Fe(Se,Te)膜存在拓扑非平庸相。北京大学物理学院量子材料中心王健课题组通过扫描隧道谱（STS）实验技术，在单层Fe(Se,Te)膜的原子链缺陷两端，观测到了稳定存在的零能束缚态，其特征与马约拉纳零能模的特征相吻合 [Nat. Phys. 16, 536-540 (2020)]，意味着单层Fe(Se,Te)膜上可能存在拓扑超导特性。

超导配对机制的研究不仅有助于理解单层Fe(Se,Te)膜的高温超导电性，还有助于揭示其拓扑超导特性的成因。然而，当前对单层Fe(Se,Te)膜超导配对机制的研究还非常有限。由于电子掺杂，单层Fe(Se,Te)膜布里渊区中心（Γ点）的空穴型口袋降至费米能级以下，因此铁基超导中被普遍接受的电子-空穴费米口袋间的s_±波配对对称性不适用单层Fe(Se,Te)膜。超导能隙幅值和超导能隙间相位符号的测量，对确定超导配对对称性，以及相应的微观机制具有重要意义。

最近，王健课题组利用基于扫描隧道显微镜（STM）的准粒子干涉（QPI）技术，观测到单原胞层Fe(Se,Te)薄膜超导能隙的各向异性和超导能隙间的相位反号，这些现象都与成键-反键间的s_±波配对对称性吻合。课题组通过分子束外延（MBE）技术在钛酸锶衬底上制备出高质量的单层Fe(Se,Te)膜（图1a）。通过Dynes拟合原位低温（4.2 K）测量的扫描隧道谱（STS），给出了超导能隙各项异性的证据（图1b）。通过傅里叶变换后的QPI（FT-QPI）图案（图1c），定量提取出了k空间上，超导能隙幅值的各向异性结构（图1d,e）。能隙极大值位于ΓX̃方向，极小值位于ΓM ̃方向，这与成键-反键间的s_±波配对相吻合。通过相位分辨的QPI（PR-QPI）图案（图1f），观测到了超导能隙间的相位符号相反，该图案也与模拟给出的成键-反键间的s_±波配对对应的PR-QPI图案相吻合（图1g）。成键-反键间的s_±波配对可能源于单层Fe(Se,Te)中自旋涨落和自旋轨道耦合导致能带杂化的共同作用，这种自旋轨道耦合和非常规（异号）超导配对正是实现拓扑超导所必须的。因此，这一工作不仅揭示了单层Fe(Se,Te)膜的高温超导配对机制，也为深入理解铁基超导体中的拓扑超导特性提供了重要信息。

2022年11月30日，该项研究成果以“Anisotropic gap structure and sign reversal symmetry in monolayer Fe(Se,Te)”（单层Fe(Se,Te)膜的各向异性超导能隙和异号超导配对对称性）为题在学术期刊《纳米快报》（Nano Letters）上在线发表。王健教授为通讯作者，北大博士生李宇为第一作者。其余合作者包括：北大本科毕业生沈定宇、莱比锡大学博士后Andreas Kreisel、北大博士毕业生陈澄、北大博士生魏天恒和北大本科生徐潇彤。该工作得到了北京市自然科学基金、国家自然科学基金、国家重点研发计划和中国科学院战略性先导科技专项的支持。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.2c03735

图1.（a）单层Fe(Se,Te)膜的STM形貌图。（b）Dynes拟合STS谱，小图为各向异性能隙函数。（c）傅里叶变换后的准粒子干涉（FT-QPI）图案幅值部（(|g(q,E)|）。（d）沿ΓM ̃方向提取的|g(q,E)|强度。红虚线表示各向异性超导能隙结构，橙虚线表示波戈留波夫色散关系。（e）由（d）图红虚线对应的三维超导能隙结构。（f）相位分辨的准粒子干涉（PR-QPI）图案（g_pr (q,E)）。（g）成键-反键间的s_±波配对对称性对应的模拟PR-QPI图案。