单层FeSe/SrTiO₃界面高温超导增强机制的合作效应证据：一项合作机制研究学术报告

一、 研究团队与发表信息

本项研究由来自复旦大学物理系表面物理国家重点实验室、复旦大学先进材料实验室、南京大学微结构科学与技术协同创新中心，以及中国科学院物理研究所北京凝聚态物理国家研究中心、中国科学院大学物理科学学院、北京量子信息科学研究院协同创新中心的多个研究团队合作完成。主要作者包括宋清、于天麟、娄欣、谢斌平、徐洪灿、文陈鸿鹏、姚奇、张思宇、朱晓天、郭建东、彭瑞与封东来。该研究成果于2019年发表在《自然·通讯》（Nature Communications） 期刊上。

二、 学术背景与研究目的

本研究的核心科学领域是高温超导，具体聚焦于铁基超导材料体系中的一个特殊结构——单层FeSe薄膜与SrTiO₃（STO）衬底形成的异质结界面。自2012年发现该界面体系的超导转变温度（Tc）远高于块体FeSe以来，其增强机制一直是领域内争论的焦点。理解这一机制不仅对基础物理至关重要，也可能为寻找更高Tc的超导材料提供新思路。此前，研究人员提出了多种可能的解释，包括界面拉伸应变增强反铁磁交换作用、STO衬底的高介电极化率提供更好的库仑屏蔽等，但实验证据均不足以完全支持这些理论。同时，角分辨光电子能谱（ARPES）观测到了被称为“复制带”或“边带”的电子结构特征，其能量分离与STO的光学声子能量接近，暗示界面电子-声子相互作用（EPI）可能扮演了关键角色。然而，关于这些复制带的起源（是界面EPI的初始态效应，还是光电子发射过程中的未态能量损失效应）及其与超导电性的直接关联，存在激烈争议。因此，本研究旨在通过精密的实验设计，直接验证界面EPI的存在，并定量揭示其与超导配对强度之间的因果关系，从而阐明单层FeSe/STO界面高温超导的物理起源。

三、 详细研究流程

本研究是一个多步骤、多技术联用的系统性实验工作，主要包含以下几个关键程序：

程序一：高质量异质结样品制备与同位素工程 * 研究对象与样本量：研究制备了多组单层FeSe薄膜样品。核心对比组包括：生长在60个单胞厚的SrTi¹⁶O₃（ST¹⁶O）薄膜上的单层FeSe（样品#isotope_16），以及生长在60个单胞厚的SrTi¹⁸O₃（ST¹⁸O）薄膜上的单层FeSe（样品#isotope_18），两者均以商业Nb掺杂STO为衬底。此外，还制备了多组（至少6组，编号#1-#6）生长在ST¹⁶O上的高质量单层FeSe样品，以及作为对照的、通过表面钾（K）掺杂实现电子掺杂的厚层（50单胞）FeSe薄膜。 * 处理与实验方法：采用分子束外延（MBE）技术进行原子级精度控制生长。对于同位素样品，首先通过高温真空退火及在¹⁸O₂气氛中退火，对商业STO衬底进行部分¹⁸O替换；随后在其上外延生长60个单胞的ST¹⁸O薄膜，并进行低压¹⁸O₂退火以引入氧空位并确保表面¹⁸O富集；最后，在超高真空条件下生长单层FeSe并进行后续退火。ST¹⁶O对照样品经历完全相同的处理流程，仅在氧气氛中使用¹⁶O₂。所有样品均经过严格的表征以确保质量。 * 特殊方法：¹⁶O/¹⁸O同位素替换是关键创新实验手段。通过改变STO中氧原子的质量，可以系统性地调控其晶格振动（声子）的能量（ω ∝ 1/√m），从而为追踪EPI效应提供明确的“指纹”。

程序二：界面声子特性表征与复制带起源确认 * 研究对象：上述制备的#isotope_16和#isotope_18样品。 * 实验方法：使用高分辨率电子能量损失谱（EELS）直接测量STO薄膜中两个Fuchs-Kliewer（FK）光学声子模式（FK1和FK2）的能量。同时，使用原位角分辨光电子能谱（ARPES）对同一样品进行电子结构测量。 * 数据分析流程：比较EELS测得的声子能量（ω₁, ω₂）与ARPES观测到的复制带（γ‘, γ*）与主能带（γ）之间的能量分离（Es, Es*）。分析两者随氧同位素质量变化的依赖关系。 * 结果与逻辑衔接：EELS结果明确显示，¹⁸O替换后，STO的FK声子能量发生了软化（降低）。ARPES数据显示，Es和Es也发生了同步的、与声子能量变化趋势一致的改变，且Es(Es) ∝ 1/√m。这直接证明了复制带的能量分离源于STO的声子能量，从而排除了复制带仅是重归一化的dxy能带这一可能性。此外，通过对比声子能量与复制带分离能，以及利用不同光子能量ARPES测量排除未态效应，研究确凿地证实了复制带是由界面电子-声子相互作用（EPI）引起的初始态效应。这为后续定量研究EPI强度奠定了基础。

程序三：界面电子-声子耦合强度与超导能隙的定量关联研究 * 研究对象：一组具有相近载流子浓度（~0.11-0.12 e⁻/Fe）和高质量（表现为尖锐的准粒子峰和低散射率）的单层FeSe/ST¹⁶O样品（#1-#6），以及K掺杂的厚层FeSe薄膜作为零界面耦合的参照。 * 实验与分析方法： 1. EPI强度标定：理论研究表明，复制带γ‘与主能带γ的谱权重强度比η = I₁/I₀正比于无量纲的电子-声子耦合常数λ。研究对ARPES能谱进行精细的背景扣除和峰拟合（使用三个高斯峰分别代表γ、β和γ‘能带），定量提取了各个样品的η值。结果显示，从样品#1到#6，η值单调增加，表明界面EPI强度存在系统性变化。这种变化被归因于界面键合条件的细微差异。 2. 超导能隙精确测量：在6 K低温下，利用ARPES测量样品在超导态下的准粒子谱。通过沿椭圆型费米面选取特定动量点（k₁和k₂，对应能隙各向异性的两个极值），获取能量分布曲线（EDC）。对EDC进行对称化处理后，使用包含超导能隙（Δ）和单粒子散射率（γ₁）参数的BCS型谱函数进行拟合，精确提取超导能隙大小δ₁和δ₂。研究特别强调了数据质量控制，排除了能隙各向异性、样品老化、充电效应、载流子浓度差异以及单粒子散射率变化对能隙测量结果的影响。 * 结果与逻辑衔接：研究发现，从K掺杂厚膜（η≈0）到单层FeSe样品#1-#6，超导能隙δ₁和δ₂均随着复制带强度比η（即界面EPI强度λ）的增加而单调、线性地增大（δ₁从9.3 meV增至12.1 meV，δ₂从9.45 meV增至13.3 meV）。重要的是，所有样品的单粒子散射率γ₁相近，且超导相干峰非常尖锐，表明样品质量均匀，能隙变化并非源于无序度的差异。这一强烈的正相关关系直接将界面EPI的强度与超导配对强度（由能隙大小表征）直接联系起来。

程序四：合作增强机制的验证与量化 * 分析流程：将程序二和程序三中获得的所有数据点（包括同位素样品和系列#1-#6样品）汇总，绘制超导能隙（δ₁, δ₂）随η变化的散点图并进行线性拟合。 * 关键结果：线性拟合曲线外推至η=0（即无界面EPI耦合）时，截距约为9.5 meV，这恰好与K掺杂厚层FeSe薄膜（其表面FeSe层不受STO界面EPI影响）的超导能隙值一致。同时，¹⁸O样品的数据点也落在¹⁶O样品的趋势线上，表明在实验精度内未观察到明显的同位素效应（这可能源于多通道配对的同位素系数α < 0.5，或前向散射EPI机制导致的能隙对声子质量不敏感）。 * 逻辑结论：这一结果清晰地表明，单层FeSe/STO的高Tc并非由单一机制引起。本征配对机制（存在于重电子掺杂的FeSe中，贡献了约9.5 meV的能隙基础值）和界面电子-声子相互作用（贡献了随λ线性增加的额外能隙增强部分）共同作用，导致了最终的高超导转变温度。这即所谓的“合作效应”（cooperative effect）。

四、 主要研究结果

1. 确证了界面电子-声子相互作用的存在与起源：通过¹⁶O/¹⁸O同位素替换实验，结合EELS和ARPES，首次提供了复制带能量分离随声子能量变化的直接证据，无可辩驳地证明了单层FeSe/STO界面存在EPI，且复制带源于EPI引起的初始态能带重整化效应。
2. 实现了界面EPI强度的定量表征与调控：在具有相同化学组分和载流子浓度的系列高质量样品中，观察到了复制带强度比η的系统性变化，这为定量研究EPI强度（λ）提供了实验标尺。
3. 发现了超导能隙与界面EPI强度的线性正相关关系：超导能隙δ₁和δ₂随η单调线性增加，建立了界面EPI强度与超导配对强度之间的直接定量关联。这强烈支持了EPI对超导有增强作用的观点。
4. 揭示了高温超导的合作增强机制：通过将能隙-η关系外推至η=0，发现其截距与无界面EPI的FeSe体系本征能隙相符。这直接证明FeSe/STO的高Tc是本征配对机制与界面EPI协同作用的结果，而非其中任何单一机制所能解释。
5. 对现有理论提供了关键实验约束：实验测得的参数（如Es/ωph与η）为检验和发展基于前向散射EPI的理论模型提供了精确的定量基准。例如，数据与完美前向散射理论预测存在不一致，提示需要引入有限动量宽度的修正。

五、 研究结论与价值

结论：本研究通过精密的样品制备、同位素调控和系统的ARPES研究，提供了确凿证据，表明单层FeSe/SrTiO₃界面的高超导转变温度是由FeSe自身的本征配对机制与FeSe电子和STO声子之间的界面相互作用协同合作所导致。界面EPI以前向散射为主，其强度直接线性地增强了超导能隙。

科学价值： 1. 解决长期争议：为FeSe/STO界面高温超导增强的物理机制这一核心问题提供了清晰、直接的实验答案，平息了关于界面EPI是否存在及其作用的争论。 2. 提出新物理框架：确立了“不同Cooper配对通道合作”作为理解界面增强高温超导乃至更广泛高温超导体系的一个普适性框架。这超越了传统的单一机制竞争范式。 3. 指明新研究方向：研究结果启示，在铜基和铁基等层状超导体中，类似“超导层-电荷库层”的界面可能普遍存在这种合作增强效应，为探索和设计新型高温超导材料提供了新的思路和方向。

六、 研究亮点

1. 实验设计的创新性与决定性：巧妙运用¹⁶O/¹⁸O同位素替换作为“声子能量探针”，结合EELS和ARPES，为界面EPI的存在提供了“ smoking-gun” 级别的证据。这是解决争议的关键。
2. 样品质量与定量分析的突破：制备了多组具有极高均匀性、低散射率且载流子浓度可控的高质量样品，使得对微小的复制带强度变化和超导能隙变化（~30-40%）进行可靠的定量关联成为可能。此前的研究因样品质量所限，难以进行如此精细的定量分析。
3. 多参数系统性关联：不是孤立地测量某个物理量，而是系统性地关联了声子能量（ω）、复制带分离能（Es）、复制带强度比（η，代表λ） 和超导能隙（Δ） 这四个关键参数，构建了完整的证据链。
4. 结论的清晰与普适意义：不仅解释了特定体系的现象，更提炼出“合作效应”这一具有潜在普适性的物理概念，将研究意义提升到了更高层次。

七、 其他有价值内容

研究在方法部分详细阐述了确保数据可靠性的严格标准，包括如何排除能隙各向异性、老化效应、充电效应、掺杂变化和样品缺陷对结果的影响。例如，通过精确确定k₁和k₂动量点来避免能隙各向异性的干扰；通过监测单粒子散射率γ₁来确认所有比较样品的质量相近且与能隙变化无关。这些严谨的质控措施极大地增强了研究结论的说服力。此外，研究还对前向散射EPI理论预测与实验数据的定量差异进行了讨论，为理论模型的进一步发展指明了方向。