Stripe phase in high-&lt;i&gt;T&lt;/i&gt;&lt;sub&gt;c&lt;/sub&gt; superconductor FeSe/SrTiO&lt;sub&gt;3&lt;/sub&gt;

Yong-Hao Yuan,Qi-Kun Xue, ,Southern University Of Science And Technology, Shenzhen 518055, China ,Wei Li,Beijing Academy Of Quantum Information Sciences, Beijing 100193, China

doi:10.7498/aps.71.20220118

Abstract

The enhancement of superconductivity in one unit-cell FeSe grown on SrTiO3 is an important discovery in high-temperature superconductivity. In this system, the crucial role of the SrTiO3 substrate has been extensively studied. Its contribution mainly manifests in two aspects: charge transfer and interfacial electron-phonon coupling. However, study of the intrinsic properties of the FeSe thin film itself is still insufficient. In this article, we review the latest research progress of the mechanism of the enhancement of superconductivity in FeSe/SrTiO3, covering the newly discovered stripe phase and its relationship with superconductivity. By using scanning tunneling microscope and molecular beam epitaxy growth method, we find that the electrons in FeSe thin film tend to form stripe patterns, and show a thickness-dependent evolution of short-range to long-range stripe phase. The stripe phase, a kind of electronic liquid crystal state (smectic), originates from the enhanced electronic correlation in FeSe thin film. Surface doping can weaken the electronic correlation and gradually suppress the stripe phase, which can induce superconductivity as well. More importantly, the remaining smectic fluctuation provides an additional enhancement to the superconductivity in FeSe film. Our results not only deepen the understanding of the interfacial superconductivity, but also reveal the intrinsic uniqueness of the FeSe films, which further refines the mechanism of superconductivity enhancement in FeSe/SrTiO3.

Highlights

In this article, we review the latest research progress of the mechanism of the enhancement of superconductivity in FeSe/SrTiO3, covering the newly discovered stripe phase and its relationship with superconductivity
By using scanning tunneling microscope and molecular beam epitaxy growth method, we find that the electrons in FeSe thin film tend to form stripe patterns, and show a thickness-dependent evolution of short-range to long-range stripe phase
1) (State Key Laboratory of Low-Dimensional Quantum Physics, Tsinghua University, Beijing 100084, China) 2) (Frontier Science Center for Quantum Information, Tsinghua University, Beijing 100084 China) 3) (Beijing Academy of Quantum Information Sciences, Beijing 100193, China) 4) (Southern University of Science and Technology, Shenzhen 518055, China) ( Received 16 January 2022; revised manuscript received 6 February 2022 )

Summary

FeSe 单晶的向列相

Kivelson 等 [43] 于 1998 年首先提出电子液晶相的概念, 电子液晶相是材料体系中介于强关联绝缘体与弱关联费米液体之间的一种特殊物质态, 它通常是由电子间的关联作用所引起 [43,44]. 因关联性大小的不同, 表现为电子态不同程度的对称性破缺: 打破了旋转对称性的通常被称为向列相 (nematic phase); 在更强关联作用下, 进一步沿单轴方向打破平移对称性的通常被称为条纹相 (smectic phase 或 stripe phase); 最近, 体现出手性的胆甾相 (cholesteric nematic phase) 也被实验所观测到 [45,46]. 由于这一特殊的电子态存在于铜氧化物超导体 [47−58]、铁基超导体 [18−22]、拓扑材料 [59−62] 以及转角石墨烯 [63−65] 等蕴含丰富新奇量子现象的材料体系中, 电子液晶相引起了广泛的研究. Kivelson 等 [43] 于 1998 年首先提出电子液晶相的概念, 电子液晶相是材料体系中介于强关联绝缘体与弱关联费米液体之间的一种特殊物质态, 它通常是由电子间的关联作用所引起 [43,44]. FeSe 是铁基超导体中非常特殊的个例, 它无需掺杂即可表现出 8.5 K 的超导, 并且常压下只表现出轨道的各向异性, 而没有长程的磁有序态, 因此在早期的研究中, 这一材料被认为是能够分离轨道和自旋这两个自由度的理想体系. 然而高压实验的结果显示, FeSe 的晶格在压缩的条件下, 轨道的向列性会被逐渐抑制, 并产生各向异性的自旋密度波态 (spin density wave, SDW), 这表明电子的自旋自由度可以产生对称性破缺 [89−94]. 进一步的理论结果表明, FeSe 在常压下不表现长程磁有序的原因来自于磁阻错现象, 有多种能量相近且打破旋转对称性的磁涨落相互竞争, 以至于阻碍了长程磁序的产生, 而在高压环境中, 这种竞争的平衡被打破, 使得自旋的向列性得以复现 [95−98]. 2017 年我们对 30 层 FeSe 薄膜的研究工作证实了这一对称破缺的存在 [40]. 图 1(b) 是在 STO 上生长的 30 层 FeSe 薄膜典型的 STM 形貌图, 从图 1(b) 可见薄膜呈现出类似“迷宫”图案的向列畴界, 畴界两侧即为孪生向列畴. 通常来说 FeSe 薄膜存在 Fe 空位缺陷, 它们会使得最表面的相邻的 Se 原子呈现出“哑铃”状的缺陷形貌 (如图 1(c) 所示, 晶格结构如图 1(a) 所示). 通过对缺陷的观测, 发现了 FeSe 新的局域对称破缺—短程条纹相 (见图 1(c) 和图 1(d) 中箭头所指位置). 从对称性的角度, 这些短程的条纹态不仅证明了 FeSe 确实打破了 C4 旋转对称性 (向列性), 而且也局域地打破了单方向的平移对称性, 预示该体系中存在更强的相互作用. 图 1(a) 所示为 FeSe 晶格结构示意图. 图 1(b) 是在 STO 上生长的 30 层 FeSe 薄膜典型的 STM 形貌图, 从图 1(b) 可见薄膜呈现出类似“迷宫”图案的向列畴界, 畴界两侧即为孪生向列畴. 通常来说 FeSe 薄膜存在 Fe 空位缺陷, 它们会使得最表面的相邻的 Se 原子呈现出“哑铃”状的缺陷形貌 (如图 1(c) 所示, 晶格结构如图 1(a) 所示). 在表面物理研究中, 缺陷往往可以当作窥探材料体系本征行为的窗口, 当缺陷与周围电子产生相互作用时, 即可使电子结构在实空间的局域态密度上得以呈现. 通过对缺陷的观测, 发现了 FeSe 新的局域对称破缺—短程条纹相 (见图 1(c) 和图 1(d) 中箭头所指位置). 从对称性的角度, 这些短程的条纹态不仅证明了 FeSe 确实打破了 C4 旋转对称性 (向列性), 而且也局域地打破了单方向的平移对称性, 预示该体系中存在更强的相互作用. 条纹态在单个畴中的取向是相同的, 而在相邻畴间是相互垂直的 (图 1(c) 中的黄色虚线标注了畴界所在位置). 原子分辨图的结果显示, 条纹态沿 Se-Se 格子的对 (a)

STO 上多层 FeSe 薄膜的短程条纹相与向列性增强

FeSe 薄膜的长程条纹相

UC 20 nm

FeSe 电子条纹相与超导的关联

UC 3 UC