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2020深圳石墨烯国际云论坛嘉宾-薛其坤院士团队代表性成果精选汇总

2020深圳石墨烯国际云论坛嘉宾-薛其坤院士团队代表性成果精选汇总

2020深圳石墨烯国际云论坛嘉宾-薛其坤院士团队代表性成果精选汇总

薛其坤,材料物理学家,中国科学院院士,清华大学教授、博士生导师。主要研究方向为扫描隧道显微学、表面物理、自旋电子学、拓扑绝缘量子态和低维超导电性等。薛其坤教授研究团队长期从事原子级可控的高质量薄膜制备和物性探索,在二维超导领域发现了单层铅膜超导、单层铁硒/钛酸锶界面高温超导和双原子层镓膜超导现象并深入研究了相关的电磁及拓扑性质。近年来,研究团队的代表性成果如下:

1. Nat. Commun.:SrTiO3上单层FeSe薄膜中的电荷转移及电声耦合增强的起源

当今凝聚态物理研究的两个重要方向是更多超导材料的发现和对高温超导机理的探究。在2012年,薛其坤教授研究团队发现了SrTiO3基底与单层FeSe薄膜界面之间的高温超导现象,其超导能隙比铁硒体相材料的能隙提高了近一个数量级,这一界面增强效应引起了研究者们的广泛兴趣(https://doi.org/10.1088/0256-307X/29/3/037402)。后续的实验和理论研究表明SrTiO3基底向FeSe薄膜的电子传输及SrTiO3声子对于高温超导起到重要作用。薛其坤教授团队针对这一现象展开研究并发现SrTiO3中的氧空位无法实现这一电子-声子耦合增强的现象(https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.117.067001)。

为了进一步探究这一现象的真正原因,研究团队通过紫外光电子能谱(UPS)表征发现SrTiO3基底的功函数小于FeSe薄膜的,当两者耦合时电子会向功函数大的FeSe薄膜一侧转移,直到能带弯曲在异质结区建立电场而达到平衡。X射线光电子能谱仪(XPS)的表征结果也证实了能带弯曲现象的发生。这些结果成功解释了这一界面增强效应产生的原因:FeSe/SrTiO3异质结中的电荷转移以及强化的钛氧(Ti-O)键导致电声耦合增强的发生。上述一系列工作逐步加深了对FeSe/SrTiO3体系的高温超导机理的理解。

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文章信息:Zhang, H., Zhang, D., Lu, X. et al. Origin of charge transfer and enhanced electron–phonon coupling in single unit-cell FeSe films on SrTiO3 . Nat Commun 8, 214 (2017).

https://doi.org/10.1038/s41467-017-00281-5

2. Nat. Phys.:硒化铁薄膜高温超导体中条纹相的观测与研究

在低温时FeSe的旋转对称性被打破,其电子行为在正交晶格的两个方向表现出极大的各向异性(Nematicity),这一各向异性与超导的关系一直是研究的热点问题。FeSe还具有长程磁有序缺失的特性,加压会使其长程反铁磁关联迅速恢复到铁基超导体中常见的“共线”(Collinear)磁有序态。因此FeSe是一个理想的研究材料,用于揭示体系中电荷、轨道、磁性与超导的内在关系。

薛其坤教授研究团队与合作者利用低温扫描隧道显微镜(STM)系统表征了FeSe/SrTiO3体系中多层硒化铁薄膜,发现其中电子的电荷自由度与自旋自由度相互耦合,形成了全新的条纹相,这是首次通过实验手段观测到了铁基高温超导体中的条纹相。作者在STM表征过程中发现FeSe薄膜中的晶格对称性受到表面缺陷的影响,可以诱导形成单向条纹状电荷密度调制作用。这一调制作用的转变温度低于FeSe中向列序的相变温度。由于FeSe薄膜中向列序的强度远大于FeSe单晶中的强度,因此作者推断条纹相极可能以向列相的基态存在,此发现有助于推动铁基高温超导理论研究的进一步发展。实验观测到的条纹相周期与理论计算得到的一个新的反铁磁态(Stripy order)相一致。FeSe外延生长到SrTiO3(STO)衬底上会引入额外的拉应力,可以获得FeSe压力相图在负压时的信息。结合之前正压力研究的结果,作者获得了FeSe的压力相图,解释了FeSe超导体系中的几个争论,为研究超导与磁的相互作用提供了新的思路。

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文章信息:Li, W., Zhang, Y., Deng, P. et al. Stripes developed at the strong limit of nematicity in FeSe film. Nature Phys 13, 957-961 (2017).

https://doi.org/10.1038/nphys4186

3. Nano Letters:在硒化铁薄膜的向列性畴界上发现拓扑边缘态

当前凝聚态物理研究的热点之一是寻找新的拓扑边缘态。二维拓扑绝缘体边界上的电子运动不再有能量耗散,有望用于低功耗电子器件的开发。薛其坤教授研究团队与合作者在FeSe薄膜的向列性畴界两侧发现了零能的拓扑边缘态,并推测这一拓扑态来源于畴界处晶格的拉伸和向列序的缺失。

硒化铁体系具有较高的超导转变温度。在低温下其电子结构的旋转对称性发生改变,沿面内正交方向产生极大的各向异性(nematicity)。在向列序的形成过程中会自发产生具有垂直于向列序的畴,其边界被称为向列性的畴界。受限于空间分辨率,硒化铁材料的畴界区域尚未有系统研究。作者通过STM表征发现,在畴界区域电子的向列序被抑制,晶格被应力拉伸。这直接导致了该区域能带的反转,发生拓扑相变。此外,在畴界附近观测到了位于零能的电子态,该电子态对称分布于畴界两侧,形成清晰的拓扑边缘态。第一性原理计算结果表明,畴界处的电子能带是拓扑非平庸的,在其与拓扑平庸的向列性畴交界的过渡区域出现了实验观测到的拓扑边缘态。这一拓扑态的发现为硒化铁材料实现拓扑超导提供了新的思路。

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文章信息:Yuan, Y., Li, W., Liu, B. et al. Edge states at nematic domain walls in FeSe films. Nano Lett. 18, 7176-7180 (2018).

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.8b03282

4. Nat. Phys.:锡烯薄膜中的超导电性

新型二维超导体的探索可以为具有二维高温超导特性的超导材料的理解提供新的思路,同时可以为一些奇特量子现象如:伊辛超导配对、量子格里菲斯相变、玻色量子金属等提供新的研究平台。一百多年前白锡(β-Sn)的超导现象已被发现;近年来人们认识到灰锡(α-Sn)是一种拓扑绝缘体。

薛其坤教授研究团队与合作者利用分子束外延生长技术,在PbTe/Bi2Te3/Si(111)基底上制得了大面积的薄至两个原子层厚度的灰锡—锡烯薄膜(stanene film)。作者发现:与块体灰锡不同,具有几个原子层厚度的锡烯薄膜具有超导电性,这是首次在灰锡中发现超导现象。对不同生长基底的研究表明,基底参数可以影响锡烯的态密度进而引起超导现象发生。通过改变衬底厚度,作者实现了锡烯从单带超导体到双带超导体的转变。此外,分子束外延生长法制备的锡烯薄膜非常稳定,其超导电性可以保持一年以上。作者通过原位角分辨光电子能谱(ARPES)与第一性原理计算阐明了其能带结构,并预测了其中含有拓扑非平庸能带结构。这一工作为二维拓扑超导体的构建提供了新的思路。

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文章信息:Liao, M., Zang, Y., Guan, Z. et al. Superconductivity in few-layer stanene. Nature Phys 14, 344-348 (2018).

https://doi.org/10.1038/s41567-017-0031-6

5. Science:锡烯薄膜中的第二种伊辛配对机制

超导体临界磁场是指超导体在外加磁场下由超导态转变成正常态所需的磁场强度。水银作为首先被发现的超导体,其临界磁场约几十毫特斯拉。而具有几个原子层厚度的薄膜超导体的临界磁场为几十特斯拉。伊辛配对机制即用于解释上述现象:这一类薄膜材料的晶格不具备中心反演对称性,从而使参与超导配对的电子具有了锁定的自旋取向,使得其临界磁场大大提高。在这一机制的指导下,研究者发现了更多具有大临界磁场的超导体。但是伊辛超导理论的一个重要预言——临界磁场的低温发散行为仍未被实验证实。

薛其坤教授研究团队与合作者首次在具有高对称性的材料——锡烯薄膜中观测到了高于理论预测值数倍的临界磁场,同时观测到了温度在绝对零度附近时临界磁场的发散行为,为伊辛超导理论提供了强有力的实验证据。作者利用原位旋转测量技术在极地的温度和强磁场条件下系统观测了具有不同原子层厚度的锡烯在超导温度区间内的临界磁场变化,研究发现其上临界磁场不但超出泡利极限,且在绝对零度附近时仍无饱和现象发生,证实了伊辛超导理论的存在。此外,由于锡烯的中心反演对称性与伊辛配对机制中的描述不同,作者提出了由自旋轨道耦合与材料对称性共同作用的新的机制,即第二类伊辛配对机制,这一机制也拓宽了伊辛超导材料的范围。

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文章信息:Falson, J., Xu Y., Liao M., et al. Type-II Ising pairing in few-layer stanene.

Science 367, 1454-145 (2020)

https://doi.org/10.1126/science.aax3873

6. Nat. Phys.: 发现2M相WS2中具有各向异性的马约拉纳束缚态

当前凝聚态物理的一个研究热点是寻找马约拉纳束缚态,这是实现拓扑量子计算的基础。薛其坤教授研究团队与合作者在一种新型2M-WS2中发现了马约拉纳束缚态,这是科学家首次在过渡金属硫化物中观测到马约拉纳束缚态存在的证据。

理论计算表明,当材料具有s波超导的体态和非平庸拓扑表面态时,在外磁场下其磁通中心会存在马约拉纳束缚态。近年来这种材料体系逐步被发现,但现有的材料存在一些问题如:材料的超导转变温度较低,需要极端的实验观测条件;需要进行元素掺杂以实现材料的拓扑或超导性质。因此需要寻找新型的存在马约拉纳束缚态的材料体系。利用低温强磁场扫描隧道显微镜技术,作者在一种新型的2M相WS2中观测到了马约拉纳束缚态(如图所示)。通过观测其磁通内态密度随空间的变化,作者发现这一马约拉纳束缚态具有高度的空间各向异性。此外,2M-WS2无需额外元素掺杂,极易实现机械剥离,因此可以作为研究未来拓扑量子计算的理想材料体系之一。

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文章信息:Yuan, Y., Pan, J., Wang, X. et al. Evidence of anisotropic Majorana bound states in 2M-WS2. Nat. Phys. 15, 1046-1051 (2019).

https://doi.org/10.1038/s41567-019-0576-7

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