電子配對(duì)形成庫珀對(duì)和庫珀對(duì)實(shí)現(xiàn)長程相干是材料進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)的兩個(gè)必不可少的過程。在傳統(tǒng)超導(dǎo)體中，由于其超流密度高，電子配對(duì)與長程相干在相同的溫度下發(fā)生，相應(yīng)的超導(dǎo)能隙打開溫度與超導(dǎo)臨界溫度一致，但是在超流密度較低的二維超導(dǎo)體如銅基化物高溫超導(dǎo)體中，電子配對(duì)溫度可能會(huì)高于相干溫度，產(chǎn)生預(yù)配對(duì)的行為，從而導(dǎo)致贗能隙的形成，這通常被認(rèn)為和超導(dǎo)漲落相對(duì)應(yīng)。在鐵基超導(dǎo)體中，是否存在類似預(yù)配對(duì)以及贗能隙的行為仍未達(dá)成共識(shí)，相關(guān)的研究和報(bào)道較少。單層FeSe/SrTiO₃（FeSe/STO）薄膜由于展示出潛在的高超導(dǎo)臨界溫度和獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)，受到廣泛的關(guān)注和研究，但對(duì)其超導(dǎo)臨界溫度的確定還存在爭論。已有的電輸運(yùn)和磁測量得到的超導(dǎo)臨界溫度（T_C）盡管存在差異，但大多數(shù)輸運(yùn)測得的T_C（_Tonset在40~50 K）都明顯低于譜學(xué)上獲得的65 K能隙關(guān)閉溫度，這進(jìn)而引申出與單層FeSe/STO薄膜相關(guān)的一系列重要問題，超導(dǎo)電子配對(duì)的溫度是多少？真正的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度是多少？是否存在贗能隙？超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度是否能夠進(jìn)一步提高？深入研究這些問題，對(duì)探索具有更高T_C的超導(dǎo)體以及理解鐵基高溫超導(dǎo)機(jī)理均具有重要意義。

　　中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心超導(dǎo)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室周興江研究組的博士生徐煜、戎洪濤、吳定松以及副研究員王慶艷和趙林等人利用高分辨角分辨光電子能譜技術(shù)，對(duì)制備的高質(zhì)量單層FeSe/STO超導(dǎo)薄膜進(jìn)行了系統(tǒng)的電子結(jié)構(gòu)和超導(dǎo)電性的研究，發(fā)現(xiàn)了單層FeSe/STO薄膜在83 K存在超導(dǎo)配對(duì)的譜學(xué)證據(jù)。

　　研究人員利用自行研制的分子束外延系統(tǒng)（MBE），通過優(yōu)化薄膜制備條件，生長出超高質(zhì)量的單層FeSe/STO超導(dǎo)薄膜，從而使研究人員在高分辨角分辨光電子能譜測量中，不僅能夠明顯觀察到單層FeSe/STO中的能帶劈裂，而且首次觀察到由超導(dǎo)誘導(dǎo)的強(qiáng)烈的Bogoliubov回彎能帶，該回彎能帶甚至可以延伸到費(fèi)米能級(jí)以下100 meV（圖1）。在角分辨光電子能譜測量中，超導(dǎo)具有兩個(gè)顯著的譜學(xué)特征：一個(gè)是在費(fèi)米能級(jí)附近超導(dǎo)能隙的打開，另一個(gè)是超導(dǎo)誘導(dǎo)的Bogoliubov回彎能帶的形成。在單層FeSe/STO薄膜中觀察到強(qiáng)烈的Bogoliubov 回彎能帶，為研究其超導(dǎo)配對(duì)溫度提供了能隙之外的另一個(gè)新的更本征的譜學(xué)特征。

　　研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于具有明顯能帶劈裂的單層FeSe/STO薄膜，傳統(tǒng)的通過譜線對(duì)稱獲取能隙的方法不再適用。研究人員采用了一種新的分析方法，獲得了可靠的能隙以及費(fèi)米能級(jí)附近譜重隨溫度的演變（圖2）。特別是通過直接觀測和分析Bogoliubov回彎能帶，發(fā)現(xiàn)其可持續(xù)到83 K，為單層FeSe/STO薄膜在83 K存在超導(dǎo)配對(duì)提供了強(qiáng)有力的譜學(xué)證據(jù)（圖3）。通過分析單層FeSe/STO薄膜在超導(dǎo)配對(duì)溫區(qū)的譜學(xué)行為，該研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，超導(dǎo)配對(duì)的溫區(qū)可進(jìn)一步劃分為64-83 K和64 K以下兩個(gè)區(qū)域（圖4）。

　　上述研究結(jié)果表明，在單層FeSe/STO薄膜中存在高達(dá)83 K的超導(dǎo)配對(duì)溫度。對(duì)發(fā)現(xiàn)的兩個(gè)溫區(qū)的理解，目前有兩種可能性，其中一種是83 K直接對(duì)應(yīng)超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度T_C；另一種是64-83 K為預(yù)配對(duì)區(qū)域存在超導(dǎo)漲落和贗能隙行為，而64 K以下配對(duì)電子長程相干進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)。具體對(duì)應(yīng)哪一種情形還需進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)來確定。但無論是哪種可能性，都對(duì)鐵基超導(dǎo)體中高T_CM的實(shí)現(xiàn)以及相關(guān)超導(dǎo)機(jī)理的理解具有重要意義。相關(guān)研究成果以Spectroscopic evidence of superconductivity pairing at 83 K in single-layer FeSe/SrTiO₃ films為題，發(fā)表在Nature Communications上。研究工作獲得國家自然科學(xué)基金委、科學(xué)技術(shù)部和中科院等的資助。

　　論文鏈接 

　　圖1.在單層FeSe/STO薄膜中觀測到明顯的能帶劈裂和強(qiáng)烈的Bogoliubov回彎能帶

　　圖2.從圖1Cut1中的能譜曲線提取的能隙與相關(guān)譜重隨溫度的演化

　　圖3.圖1中沿Cut2的能帶結(jié)構(gòu)、能譜曲線與相關(guān)譜重隨溫度的演化

　　圖4.單層FeSe/STO薄膜中由溫度引起的各種變化總結(jié)劃分為三個(gè)溫度區(qū)域