实验室在硒化铁薄膜中发现条纹型电子液晶相
2021年4月16日
电子液晶相普遍存在于高温超导材料中，由于其与超导的关联和竞争，在凝聚态物理领域受到广泛关注。近日，我校物理系李渭副教授和薛其坤教授的研究团队在双层硒化铁薄膜-钛酸锶（2 UC FeSe/STO）体系中发现了非公度的条纹型电子液晶相（Smectic phase），并揭示了其与单层硒化铁薄膜中高温超导增强的关系。该工作以“与高温超导体硒化铁-钛酸锶近邻的非共度条纹液晶相”（Incommensurate smectic phase in close proximity to the high-Tc superconductor FeSe/SrTiO3）为题，在线发表于4月13日的《自然-通讯》（Nature Communications）上。
图1 双层硒化铁薄膜的条纹型电子液晶相
单层硒化铁-钛酸锶的超导增强是高温超导研究的热点，之前的研究聚焦于衬底钛酸锶的作用，如提供电荷掺杂和额外的声子通道等。近年来，李渭等将关注点放在硒化铁材料本身，发现该材料自身电子的特异性对超导增强也具重要意义。2017年，该研究团队在《自然-物理》（Nature Physics）上发表文章，揭示了在多层硒化铁薄膜的缺陷周围电子呈现出的短程条纹结构，这是体系对称性在缺陷处进一步破缺的结果。多层硒化铁薄膜中存在向列型电子液晶相 (Nematic phase)，其强度随薄膜厚度减小而增大。当薄膜厚度减小至单层极限时，其电子不再表现向列性，高温超导电性出现。然而，硒化铁薄膜中向列性、局域的电子条纹结构及其与单层高温超导态之间的关联仍不清楚。
将分子束外延生长与扫描隧道显微镜技术相结合，该研究团队实现了对硒化铁薄膜精确的层厚调控，并逐层研究了其电子结构。他们发现在双层硒化铁薄膜中存在着稀有的长程条纹型电子液晶相（如图1中箭头所示），而在双层薄膜的近邻：单层和三层中，均不存在该条纹相。因此，该条纹相位于高温超导相和电子向列相之间，这是对这三者关系的首次揭示。实验还表明，表面电子掺杂可抑制双层薄膜的条纹相，进而诱导出与单层薄膜中类似的超导态。通过比较掺杂诱导的双层和三层硒化铁薄膜的超导电性，他们发现双层薄膜的超导在相干性和能隙大小上都优于三层（如图2所示），这与在双层薄膜中广泛存在的条纹相密切相关。该研究团队认为，未掺杂的单层和双层硒化铁薄膜均处于条纹型电子液晶相这一基态，电荷掺杂会诱导出超导电性。在掺杂过程中，尽管长程的条纹相被抑制，但条纹相的电子涨落仍会进一步增强超导。该工作揭示了硒化铁薄膜在二维极限下电子结构的演化，并证明了硒化铁本身具有的条纹型液晶态涨落对高温超导的影响。
图2双层和三层硒化铁中碱金属掺杂诱导的超导电性比较
清华大学物理系博士生袁永浩（2015级）为该文章的第一作者，博士生樊学敏（2018级）和王心童（2016级）也参与了实验。论文的合作者还包括北京大学物理学院的张焱副教授和清华大学物理系的何珂教授。该研究得到了科技部、国家自然科学基金委员会、北京未来芯片技术高精尖创新中心等的资助。