北京大学最新Nature: Pair density wave state in a monolayer high-T_c iron-based superconductor

     2023年06月29日

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01【导读】

铁基超导体是一类具有高临界温度（Tc）的新型高温超导体。自从它们在2008年被日本科学家镰田宪二等人首次发现，其研究得到了广泛关注。铁基超导体可以根据其晶体结构和化学成分分为五大类：LaFeAsO系列、BaFe₂As₂系列、LiFeAs系列、Fe(Se,Te)系列和FeSe单层薄膜。它们具有不同的晶体结构和物理性质，但都表现出铁基超导体的共性：具有高Tc、临界磁场（Hc）和层状结构。类似于铜酸盐，铁基超导体（FeSC）具有复杂的相图，具有各种对称性破坏电子状态，例如向列序和条纹反铁磁序。在面内磁场下，在FeSC中在低温下上临界场的异常上转，这被认为是FFLO状态，在时间反演对称破缺交换场中，库珀对可以获得有限的动量Q，并显示空间非均匀的对密度，这被称为Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov（FFLO）状态。然而，在FeSC中对密度波（PDW）顺序的直接证据一直缺乏。在FeSC中，在SrTiO₃（001）（STO）衬底上生长的单层FeSe和Fe（Te，Se）膜由于高超导转变温度和拓扑电子结构而引起了广泛的关注。最近，已观察到在STO上生长的非超导多层FeSe中的电荷有序，这提出了一个问题，即PDW是否可以出现在超导单层FeSe或Fe（Te，Se）膜中。

 

02【成果掠影】

对密度波（PDW）是一个非凡的超导状态，其中库珀对进行非零动量。最近出现了在高温（高T_C）铜酸盐超导体和Kagome超导体中存在固有PDW顺序的证据。然而，铁基高温超导体中的PDW顺序尚未在实验中观察到。在这里，北大王健教授团队联合美国马萨诸塞州切斯特纳特山波士顿学院王自强教授团队，使用扫描隧道显微镜和光谱，发现PDW状态在单层铁基高T_C Fe（Te，Se）薄膜生长在SrTiO₃（001）衬底上。通过对局域态密度、超导能隙和纠缠电荷密度波级涡旋周围PDW的π相移边界的空间电子调制，在畴壁观察到周期为λ ≈ 3.6α_Fe（α_Fe是相邻Fe原子间的距离）的PDW态。单层Fe（Te，Se）薄膜中PDW态的发现为研究高温超导体中相关电子态与库珀配对之间的相互作用提供了一个低维平台。该项工作以标题为：“Pair density wave state in a monolayer high-Tc iron-based superconductor”，发表在期刊Nature上。北京大学Yanzhao Liu, Tianheng Wei为共同第一作者。

 

03【核心创新点】

1、观察到的电子调制预计起源于在畴壁处成核的初级PDW。此外，在畴壁处的空间间隙调制。

2、提出一个单向多Q PDW态∆PDW(r)。

3、发现在畴壁处可以出现新的等自旋配对PDW态，进一步通过模型计算。

 

04【数据概览】

图1. 1-UC Fe（Te，Se）/STO中沿着Fe-Fe键方向的畴壁。©2023 Nature

图2. 在标记为D1的畴壁处的LDOS的空间调制。©2023 Nature

图3. 标记为D2的畴壁处的相干峰高度的周期性调制。©2023 Nature

图4. 标为D3的畴壁处的超导能隙调制。©2023 Nature

图5. PDW相位中的π相移边界。©2023 Nature

 

05【成果启示】

CDW、PDW和均匀超导性之间的相互作用在PDW现象的本质中起着关键作用。一次CDW有序与均匀超导共存可以诱导二次PDW有序。其中PDW的波矢量Q与CDW的波矢量Q相同。相比之下，在目前的I-UC Fe（Te，Se）膜中，不存在初级CDW状态（方法）。因此，所观察到的电子调制预计起源于在畴壁处成核的初级PDW。此外，在畴壁处的空间间隙调制提出一个单向多Q PDW态。在方法中讨论了PDW顺序的可能场景。将畴壁描述为嵌入的量子结构，我们发现在畴壁处可以出现新的等自旋配对PDW态，这与所观察的结果一致，并有模型计算的支持。

总之，在1-UC Fe（Te，Se）/STO中探测到一个周期为λ ≈ 3.6α_Fe的非公度PDW态，它位于畴壁。研究结果表明，量子结构，如自然出现的域壁嵌入在2D FeSCs提供了一个新的材料平台，研究PDW状态及其相互作用的拓扑电子状态和非常规的高T_C超导。

原文详情：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06072-x