中科院物理研究所／北京凝聚態(tài)物理國家實驗室(籌)超導國家重點實驗室周興江研究組與清華大學薛其坤研究組/物理所表面物理實驗室馬旭村研究組合作，最先對單層FeSe/SrTiO3的電子結構和能隙結構進行了角分辨光電子能譜研究【Nature Communications 3 (2012) 931】，發(fā)現其獨特的費米面拓撲結構以及超導能隙的特征，為相關理論的建立提供了重要證據（詳見2012年科研動態(tài)27期）。
在銅氧化物高溫超導體和鐵基超導體中，超導往往都是通過對反鐵磁的母體摻雜引入載流子，進而壓制反鐵磁態(tài)實現的。而且，超導轉變溫度可以通過調節(jié)載流子的濃度而得到優(yōu)化。對單層FeSe超導體很自然的問題是：是否同樣存在反鐵磁到超導的轉變？超導轉變溫度是否可以通過優(yōu)化而進一步提高？
周興江研究組的副研究員何少龍、博士生何俊峰、助理研究員趙林及博士生劉德發(fā)、劉旭等人與馬旭村研究組/薛其坤研究組的博士生張文號、副研究員王立莉等合作，采用真空原位退火的方法，逐步改變單層FeSe/SrTiO3樣品中的載流子濃度，并同時采用角分辨光電子能譜測量樣品的能帶結構和超導能隙，成功構建了單層FeSe/SrTiO3的電子結構和超導電性隨載流子濃度演變的電子相圖（圖1）。他們發(fā)現，無論從費米面拓撲結構（圖2）還是能帶結構（圖3）的演變都可以看出，隨著退火過程中載流子濃度的變化，有兩個競爭相存在。在退火初期載流子濃度比較低時，單層FeSe樣品表的電子結構與典型鐵基超導體BaFe2As2母體在反鐵磁態(tài)時的電子結構類似（圖4），表明這時樣品的基態(tài)很可能在低溫下為反鐵磁相（N相）。當載流子濃度進一步增加時，另一個相（S相）開始出現， 它具有和N相顯著不同的電子結構。隨著進一步退火，N相減少，S相增加，最終樣品中只包含S相。同時，S相的載流子濃度在逐漸增加，并伴隨著超導能隙增加，以及由超導能隙確定的超導轉變溫度逐漸增加，最高可以達到65K（圖5）。該超導轉變溫度超過了目前塊材鐵基超導體中55K的最高紀錄。
該工作在單層FeSe薄膜中發(fā)現與反鐵磁母體類似相的存在，構建了相關的電子相圖，為鐵基超導體的機理研究提供重要的信息。通過優(yōu)化載流子濃度，從角分辨光電子能譜測量直接提供了存在65K超導轉變溫度的證據，表明鐵基超導體的轉變溫度有進一步提升的可能。同時，在純二維體系的單層薄膜中實現在兩個競爭相之間的大范圍調控，不僅為研究高溫超導現象，也為其它特殊量子效應及界面效應等問題的研究提供了很好的平臺。
該研究結果發(fā)表在近期的《自然-材料》雜志上【Nature Materials 12 （2013）605】。同時Nature Materials還在同期的News and Views欄目中，對這項工作進行了評論和推介。
此項工作得到了國家自然科學基金和科技部“973”計劃的支持。
圖1. SrTiO3襯底上生長的單層FeSe薄膜的電子相圖及65K超導電性的實現
圖2. 單層FeSe/SrTiO3費米面隨著退火的演變
圖3. 單層FeSe/SrTiO3的能帶結構隨著退火的演變
圖4.單層FeSe/SrTiO3薄膜N相的費米面（a）與能帶結構（c） 和鐵基超導體母體BaFe2As2處于反鐵磁態(tài)時的費米面(b)與能帶結構(d)的比較。
圖5. 單層FeSe/SrTiO3薄膜的超導轉變溫度及超導能隙隨載流子濃度的增加而增加。
