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單層FeSe/SrTiO3界面超導的超快動力學研究獲進展

2016.3.21

　　單層FeSe/SrTiO3界面超導體自2012年被發現【Chin. Phys. Lett. 29, 037402 (2012)】以來，其超導機理引起了廣泛的關注。它的超導轉變溫度明顯高于體材料FeSe，除了已有研究表明的其電子結構與體材料FeSe明顯不同之外，該界面超導體系的電-聲子相互作用與鐵基超導體系里的異同也為人們所關注。此外，人們注意到原位測量與帶覆蓋層的樣品的超導轉變溫度有所差異，覆蓋保護層如何影響超導轉變溫度并不完全清楚【Nat. Phys. 10, 892 (2014)】。采用超快光譜方法研究單層FeSe/SrTiO3界面超導體系提供了從非平衡態角度進行研究的可能，且能通過準粒子壽命實驗觀測電-聲子相互作用，是許多其它實驗方法無法替代的。

　　最近，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室（籌）表面物理實驗室SF05組研究員趙繼民與清華大學薛其坤院士/馬旭村教授的研究組合作研究了該體系。通過時間分辨超快光譜的弱信號探測（圖1），在單層FeSe/SrTiO3超導體中觀測到了明顯的超導相變（圖2、圖3），超導轉變溫度為68 (-5/+2) K。從圖1時間分辨數據清楚可見，準粒子的超快（ps）動力學行為在70 K附近有明顯的變化。圖2更加明顯地展示了在68 K附近有可能有一個超導相變，聲子瓶頸（phonon-bottleneck）現象清晰可見。圖3給出了定量的分析結果，其中圖3（c，d）在68 K附近同時有變化，依據非平衡態的微觀動態平衡Rothwarf-Taylor模型，這是超導相變。他們得到超導轉變溫度為Tc = 68 (-5/+2) K，超導能隙為Δ(0) = 20.2 ± 1.5 meV, 同時從圖3（b）的快分量準粒子壽命可獲得電-聲子相互作用的大小，為 λ = 0.48，比同樣采用超快光譜探測所得的體材料FeSe的電-聲子相互作用大了3倍。此外，他們還在2個原胞厚度的FeTe覆蓋層中觀測到了相干態的聲學支聲子，它的存在為界面或襯底里的聲子等配對膠水提供了額外的衰減通道（圖4），從而導致配對膠水的減少或能量降低，這為覆蓋層如何降低單層FeSe超導體的Tc提供了一種合理的解釋。

　　該工作首次運用超快光譜方法在單原子層體系上觀測到超導相變。單個原子層的光學反射信號微弱，需要排除覆蓋保護層的干擾，他們克服了實驗挑戰，優選了覆蓋層厚度，最終分辨出了超導相變信息。該工作展示了以超快光譜方法研究強關聯體系的優勢：時域展開的超快動力學過程，非接觸的無損測量，單層/界面量子體系的相變，以及對配對玻色子相關物性的研究。

　　相關研究結果發表在最近的Physical Review Letters上【Ultrafast Dynamics Evidence of High Temperature Superconductivity in Single Unit Cell FeSe on SrTiO3, Phys. Rev. Lett. 116, 107001 (2016)】。

　　上述工作得到了國家自然科學基金項目、科技部量子調控重大科學計劃和中國科學院對外合作重點項目的支持。