界面超導(dǎo)體系與拓?fù)浒虢饘袤w系的表面電子-聲子相互作用研究獲進(jìn)展
電子-聲子相互作用在凝聚態(tài)物理中極為重要，不僅與材料的熱力學(xué)、載流子動力學(xué)等宏觀物理性質(zhì)密切相關(guān)，還在超導(dǎo)電子配對、電荷密度波的形成等微觀物理現(xiàn)象中起到重要作用。
中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心表面物理國家重點實驗室SF06組研究員郭建東、副研究員朱學(xué)濤和博士生曹彥偉（已畢業(yè)）等人，在2015年成功研制了世界首臺具有能量-動量二維解析能力的高分辨電子能量損失譜儀（2D-HREELS）[Rev. Sci. Instrum. 86, 083902 (2015)]。該系統(tǒng)將一個帶有特殊設(shè)計電磁透鏡組的電子束單色器與商業(yè)化的二維半球形分析器結(jié)合，可以同時探測到散射電子能量和動量的信息。該譜儀可以對表面元激發(fā)進(jìn)行高分辨、高效率的測量，能夠給出電子、晶格及其集體激發(fā)的綜合信息，是研究低維材料體系電子-聲子等多體相互作用的利器。
近年來，利用此2D-HREELS系統(tǒng)，SF06組在界面超導(dǎo)體系FeSe/SrTiO3的晶格動力學(xué)和電子-聲子相互作用機理的研究方面取得多項進(jìn)展。博士生張書源（已畢業(yè)）等在朱學(xué)濤、郭建東的指導(dǎo)下，首先發(fā)現(xiàn)了SrTiO3襯底的光學(xué)聲子模式可以產(chǎn)生電場穿透FeSe薄膜[Phys. Rev. B 94, 081116R (2016)]；又系統(tǒng)研究了FeSe薄膜的晶格動力學(xué)[Phys. Rev. B 97, 035408 (2018)]；并發(fā)現(xiàn)了該體系中非絕熱的電子-聲子相互作用引起的界面極化子對超導(dǎo)增強的貢獻(xiàn)[Phys. Rev. Lett. 122, 066802 (2019)]；以及在BCS-BEC相圖中詳細(xì)探討了FeSe/SrTiO3界面超導(dǎo)體系的特殊性[Chin. Phys. Lett., 36, 107404 (2019)]。這一系列工作對進(jìn)一步理解FeSe/SrTiO3界面的超導(dǎo)增強提供了有益的思路。
最近，SF06組將此研究方向拓展到了拓?fù)浒虢饘袤w系。研究表明，在拓?fù)涔?jié)線型半金屬材料ZrSiS中，存在著由于非同構(gòu)對稱性被表面破缺而形成的新奇二維表面態(tài)，引起了廣泛的關(guān)注。金屬體系中較強的電子-聲子相互作用會引起聲子色散在二倍費米波矢位置的軟化，稱為科恩（W. Kohn）反常�？贫鞣闯，F(xiàn)象在一維、二維、三維金屬體系，以及具有表面電子態(tài)的體系中都廣泛存在，是研究電子-聲子相互作用的重要實驗手段。近年來在拓?fù)浣^緣體以及拓?fù)渚B(tài)絕緣體中均觀測到了與拓?fù)浔Ｗo(hù)的表面態(tài)相互作用而引起的表面光學(xué)聲子的科恩反常。
SF06組博士生薛思瑋等在朱學(xué)濤、郭建東的指導(dǎo)下，與理論室研究員方辰、極端條件實驗室研究員石友國等合作，利用上述2D-HREELS系統(tǒng)，測量了ZrSiS表面高對稱方向的聲子色散譜，發(fā)現(xiàn)了一支表面光學(xué)聲子能帶在各方向均具有顯著的能量軟化特征，由布里淵區(qū)中心的~25 meV軟化至二倍費米波矢處的~16 meV，形成了“V”型的科恩反常。利用基于無規(guī)相近似（RPA）的電子聲子相互作用模型，發(fā)現(xiàn)這個能量軟化起源于表面光學(xué)支聲子與ZrSiS新奇二維表面態(tài)之間的相互作用。通過對實驗數(shù)據(jù)的擬合，此工作還確定了由該光學(xué)支聲子引起的動量依賴的電聲耦合常數(shù)。
這種表面聲子與二維表面電子態(tài)之間的相互作用，對低維器件的性能具有重要影響。該工作所揭示的表面電子-聲子相互作用的物理圖像對這類半金屬體系未來的可能應(yīng)用具有重要價值。這一研究成果以Electron-phonon coupling and Kohn anomaly due to floating two-dimensional electronic bands on the surface of ZrSiS 為題發(fā)表于Phys. Rev. B 100, 195409 (2019)，并被選為當(dāng)期的編輯推薦(Editors’ Suggestion)文章。
上述工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會等的資助。
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圖1：FeSe/SrTiO3界面耦合增強示意圖。FeSe中的電子可以通過SrTiO3襯底聲子產(chǎn)生的極化場發(fā)生非絕熱的電子-玻色子相互作用(EBI)（圖a），這與傳統(tǒng)超導(dǎo)中絕熱的電子-玻色子相互作用（圖b）具有明顯的不同。這種非絕熱相互作用可以在界面處產(chǎn)生動態(tài)極化子，其相互吸引可以提高FeSe中原有電子配對的能量（圖c），從而增強超導(dǎo)。
