單層 FeSe/SrTiO? 是最引人關(guān)注的鐵基高溫超導(dǎo)體系之一。2012 年,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)僅 一個(gè)晶胞厚度的 FeSe 薄膜在 SrTiO? 襯底上可以實(shí)現(xiàn)超過(guò) 40 K 的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度,遠(yuǎn)高于塊體 FeSe 的 9–14K。這一顯著增強(qiáng)的超導(dǎo)現(xiàn)象引發(fā)了廣泛關(guān)注。然而,如此超薄的二維體系為何能夠產(chǎn)生如此強(qiáng)的超導(dǎo)性,其微觀配對(duì)機(jī)制仍然是該領(lǐng)域的重要未解問(wèn)題。
在鐵基超導(dǎo)體中,每個(gè)晶胞包含兩個(gè)鐵原子,它們構(gòu)成兩個(gè)彼此交錯(cuò)的子晶格。按照常規(guī)理解,由于晶體具有空間反演對(duì)稱性,這兩個(gè)子晶格應(yīng)具有相同的物理性質(zhì)。但理論研究曾提出,在單層 FeSe 中,界面可能破壞這種對(duì)稱性,從而引入新的配對(duì)通道。然而,這一子晶格自由度是否在超導(dǎo)配對(duì)中發(fā)揮關(guān)鍵作用,一直缺乏直接的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。
近日,中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心胡江平研究員和蔣坤研究員(T06組)與清華大學(xué)薛其坤院士、王立莉研究員團(tuán)隊(duì)等合作,通過(guò)原子分辨率掃描隧道顯微鏡與掃描隧道譜(STM/STS)實(shí)驗(yàn),對(duì)單層 FeSe 的電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)研究。他們首次在同一晶胞中分別測(cè)量了兩個(gè) Fe 子晶格的超導(dǎo)能隙結(jié)構(gòu),并發(fā)現(xiàn)兩者表現(xiàn)出明顯不同的隧穿譜特征:在一個(gè)子晶格上,超導(dǎo)相干峰在空穴一側(cè)更強(qiáng),而在另一個(gè)子晶格上則在電子一側(cè)更強(qiáng)(見(jiàn)圖1)。研究團(tuán)隊(duì)將這一現(xiàn)象稱為“子晶格二分性(sublattice dichotomy)”。 進(jìn)一步的理論分析表明,這一現(xiàn)象源于兩種不同配對(duì)機(jī)制的共存:傳統(tǒng)的帶內(nèi)配對(duì)以及由子晶格結(jié)構(gòu)引入的帶間配對(duì)。這一帶間配對(duì)正是源于胡江平研究員在2013年提出的h配對(duì)(?Phys. Rev. X 3, 031004 (2013))。界面導(dǎo)致的反演對(duì)稱性破缺使得這兩種配對(duì)可以同時(shí)存在,從而自然解釋了實(shí)驗(yàn)中觀察到的子晶格差異。
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圖1:?jiǎn)螌予F基超導(dǎo)FeSe中的兩套Fe子晶格和其上面測(cè)到的掃描隧道譜
該研究表明,單層 FeSe 中增強(qiáng)的超導(dǎo)臨界溫度可能與新的帶間配對(duì)通道有關(guān),而不僅僅來(lái)源于傳統(tǒng)的費(fèi)米面不穩(wěn)定性機(jī)制。這一工作揭示了晶格子結(jié)構(gòu)自由度在非常規(guī)超導(dǎo)中的重要作用,為理解單層 FeSe 高溫超導(dǎo)機(jī)理提供了關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)線索,也為探索更高溫度的超導(dǎo)材料提供了新的思路。
該成果已獲得 Phys.org 的新聞報(bào)道(https://phys.org/news/2026-03-hidden-atomic-dichotomy-superconductivity-ultra.html),并在 Journal Club for Condensed Matter Physics 上受到美國(guó)威斯康星大學(xué) Daniel Agterberg 教授的高度評(píng)價(jià)(https://www.condmatjclub.org/jccm_october_2025_01/)。相關(guān)研究成果以Parity Breaking and Sublattice Dichotomy in Monolayer FeSe Superconductor為題,發(fā)表于Phys. Rev. Lett. 136, 066502(2026)。該研究受到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、中國(guó)科學(xué)院、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和新基石研究員項(xiàng)目的資助。
編輯:小鹿
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