费米子超流体具有丰富的物理现象，是当前凝聚态物理领域的重要研究课题。近日，物理系季帅华教授、陈曦教授、薛其坤院士等合作者利用低温扫描隧道显微镜，在单层FeSe薄膜中，发现了BCS-BEC转变现象，并精细测量了 BCS-BEC过渡区域单粒子隧穿谱，为进一步研究BCS-BEC过渡区域的奇异物理现象奠定重要基础。

       费米子超流体具有两种极限状态：Bardeen-Cooper-Schrieffer(BCS)超导态和Bose-Einstein凝聚态（BEC）。在BCS极限下，库珀对在空间上有强烈的交叠（图1），库珀对的凝聚发生在库珀对产生的临界温度T_c，其相干长度ξ远大于粒子间的距离（1/k_F），或者等价地Δ/E_F<<1 (Δ和E_F分别为超导能隙和费米能)。与之不同的是，在BEC极限下，费米子在较高的温度T*形成库珀对，而在较低的温度T_c发生凝聚, 其相干长度ξ要远小于粒子间的距离（1/k_F），或者等价地Δ/E_F>>1。在这两种极限中间的过渡区域，相干长度ξ与粒子间的距离（1/k_F）可以比拟，或者等价地Δ/E_F~1。有理论表明这一过渡区与高温超导具有相关性，因此BCS-BEC 转变也受到广泛的关注。

图1 BCS态与BEC态的示意图

       冷原子体系，通过Feshbach共振调控原子间相互作用，在实验上已经实现了BCS态到BEC态的转变。然而，由于固体材料中的Δ/E_F通常很难在很大范围内调节，因此实现固体材料中的BCS-BEC 转变具有较大的困难。最近，几个具有低载流子密度的固体材料体系，如FeSe基的超导体材料，魔角三层石墨烯和锂插层的ZrNCl等，都展现出BCS-BEC转变的实验迹象。其中多数工作的实验证据是角分辨光电子能谱观察到的费米面以下的重整化能带结构，然而BCS-BEC 转变整体的单粒子能谱还没有被观测到。林海城及其合作者，利用衬底的局域功函数来调控单层FeSe薄膜空穴能带的位置，以及载流子的浓度，实现了实空间的BCS-BEC转变（图2）。高能量分辨的扫描隧道谱揭示出BCS-BEC转变的单粒子隧穿谱，特别是测量了在Δ/E_F~1的强相互作用区域非对称能隙结构。更为有趣的是，当空穴带顶已完全降到费米面以下时，隧道谱仍然呈现出空穴带顶电子配对的特征。两能带模型计算定性地复现出在单层FeSe中观测到 BCS-BEC 转变的主要谱学特征，该理论表明电子-空穴带间相互作用起到了关键的作用，空穴带顶穿过费米面的移动驱动了单层FeSe薄膜的BCS-BEC 的转变。

图2:单层FeSe薄膜的BCS-BEC转变，(a)空穴带顶在不同区域移动的示意图，(b)单层FeSe薄膜形貌像，Ⅰ是BCS的区域，Ⅱ是BEC区域，(c)空间分辨的扫描隧道谱，测量温度4.5 K，(d) BCS-BEC转变空间分辨的扫描隧道谱，测量温度60 mK，(e)转变过渡区域高空间分辨谱，(f) (b)中四个代表点位置的扫描隧道谱。

       该工作以“Real-space BCS-BEC crossover in FeSe monolayers”为题发表在Physical Review B，由清华大学季帅华教授、陈曦教授、薛其坤院士、何联毅副教授，南加州大学Stephan Haas教授以及Constructor University Bremen的Stefan Kettemann教授合作完成，季帅华教授和陈曦教授为论文的通讯作者，林海城和黄万通为共同第一作者。该工作得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金的资助，也得到了清华大学低维量子物理国家重点实验室、清华大学量子信息前沿科学中心等的支持。

       文章链接：https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.107.104517