超導體與單層FeSe薄膜超導電性的共同電子結構起源

　　鐵基超導體作為繼銅氧化物超導體之后的第二類高溫超導體，其超導機理是凝聚態物理研究的重要課題。絕大多數鐵基超導體具有位于布里淵區中心的空穴型費米面和位于布里淵區頂角的電子型費米面。一種普遍的超導機理（費米面“嵌套”）認為，電子在電子型與空穴型費米面之間的散射，是鐵基超導體中電子配對和超導電性產生的主要原因。

　　2012年初，清華大學薛其坤研究組和中國科學院物理研究所表面實驗室馬旭村研究組報道了在SrTiO3襯底上生長的單層FeSe薄膜中可能存在液氮溫區高溫超導電性的結果【Chin. Phys. Lett. 29 (2012) 037402】。單層FeSe/SrTiO3薄膜中高溫超導電性的起源，尤其是界面對超導增強的作用，成為超導研究的另一個熱點問題。中科院物理研究所／北京凝聚態物理國家實驗室(籌)超導國家重點實驗室周興江研究組，隨后從單層FeSe/SrTiO3超導薄膜的能隙測量上觀察到65K的超導轉變跡象，并發現了其簡單、獨特的電子結構: 不存在布里淵區中心的空穴型費米面，只具有布里淵區頂角處的電子型費米面【Nature Communications 3 (2012) 931；Nature Materials 12 (2013) 605 】。這些結果，結合之前在AxFe2-ySe2超導體中觀察到的類似費米面的結果，對鐵基超導體超導機理的費米面嵌套理論提出了嚴重挑戰。但是，單層FeSe/SrTiO3薄膜和AxFe2-ySe2超導體這兩類材料中牽涉到的界面效應和相分離等的復雜性，使得一些人認為它們有可能具有有別于絕大多數塊材鐵基超導體的特殊超導機理，進而質疑它們是否構成排除費米面嵌套理論的充分證據。

　　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，率先對新近發現的(Li,Fe)OHFeSe超導體的電子結構和超導能隙展開了研究，獲得了重要結果，對理解鐵基超導體的超導機理和單層FeSe/SrTiO3薄膜的高溫超導電性的起源，提供了重要信息。

　　他們的研究結果發現，(Li,Fe)OHFeSe超導體的電子結構與單層FeSe/SrTiO3超導薄膜和AxFe2-ySe2超導體非常相似（如圖1）：圍繞布里淵區中心Γ點沒有空穴型的費米面，而只在布里淵區的頂角M點存在電子型的費米面。進一步的對比表明，三者的能帶結構也顯示出驚人的相似性（圖2）。(Li,Fe)OHFeSe的超導能隙表現為近各向同性，不存在能隙為零的節點（圖3，圖4），這也與單層FeSe/SrTiO3超導薄膜和AxFe2-ySe2超導體的超導能隙特征類似。

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

　　相關研究結果發表在近期的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)】。

　　上述研究工作獲得了國家自然科學基金委、科技部和中科院先導B項目等基金的資助。