單層鐵硒（1?uc FeSe）是近年來超導研究中的一個重要領域，因其在SrTiO₃（STO）基底上展現(xiàn)出的顯著提高的超導轉變溫度（T_c），這使得其在量子計算、能源存儲和傳感器等領域具有廣泛的應用前景。這種高T_c現(xiàn)象與電子-聲子耦合（EPC）密切相關，但其微觀機制仍然不明確，特別是在界面處的耦合行為上，引起研究者們對該領域的深入探索。現(xiàn)有研究表明，界面玻色子模式與超導性之間的關系是理解T_c增強的關鍵因素。然而，聲子模式的具體貢獻和與電子的耦合強度之間的關系尚未得到充分闡明。

基于以上難題，加州大學爾灣分校潘曉晴教授在Nature發(fā)表了題為“Phonon modes and electron-phonon coupling at the FeSe/SrTiO₃ interface"的論文，報道了采用動量選擇性高分辨電子能量損失譜（EELS）技術，成功解析了FeSe/STO界面處的聲子模式。研究發(fā)現(xiàn)了新的光學聲子模式，在75-99 meV的能量范圍內(nèi)與電子強烈耦合。這些模式的特征是界面雙TiO_x層中的氧原子和STO中的頂端氧原子的面外振動。研究結果還表明，1 uc FeSe/STO的EPC強度和超導能隙與FeSe和TiO_x端STO之間的層間距密切相關。這項研究發(fā)現(xiàn)揭示了界面EPC的微觀起源，并為在FeSe/STO和潛在的其他超導系統(tǒng)中實現(xiàn)大而一致的T_c增強提供了見解。

研究人員利用分子束外延在STO上生長了FeSe薄膜，并在5?K下利用STM-STS測量了1?uc FeSe/STO樣品的超導能隙。

圖1、超導1 uc FeSe/STO的界面結構和振動光譜 © 2024 Springer Nature

圖2、原子分辨聲子譜學與成像 © 2024 Springer Nature

圖3、ECP的DFT計算 © 2024 Springer Nature

圖4、層間距對聲子和超導電性的影響 © 2024 Springer Nature

本研究為理解超導材料界面的EPC提供了重要的微觀視角，揭示了1?uc FeSe/STO界面中氧原子的垂直振動如何影響超導性。研究人員通過高分辨率振動光譜學識別了雙TiO_x層中的垂直振動模式，這些模式不僅提供了額外的聲子模式，還在電子耦合中扮演了關鍵角色。這一發(fā)現(xiàn)表明，界面結構的均勻性對T_c的提升至關重要。此外，本研究強調(diào)了不同界面類型之間的微小變化如何導致超導能隙的不同表現(xiàn)，提示在設計新型高T_c超導體時，應關注界面工程。這種對界面結構與EPC關系的深入理解，可能為開發(fā)具有優(yōu)異性能的新材料提供重要啟示。未來的研究可以進一步探索不同材料系統(tǒng)中的類似現(xiàn)象，推動超導材料及其應用的發(fā)展，為電子學和量子計算領域帶來新的突破。