位于费米能级下方数百 meV 的能带
在铁基超导体中,通常被认为负责电子配对的是位于费米能级 EF 附近的 dxz/dyz 和 dxy 轨道。dz2 轨道能带则位于 EF 下方数百 meV,一般被视为与超导无关。这篇论文要检验的正是这一假设是否过于狭窄。
作者研究的是生长在 SrTiO3 上的单层 FeSe。在这个体系中,dz2 能带对面内晶格常数异常敏感,这给实验提供了一个抓手:只要能拉伸晶格,就能移动这条能带。论文的主张是,把它移动得足够远,一条名义上惰性的深层能带就能参与配对。
用针尖作用力调节晶格应变
实验使用 0.4 K 下的扫描隧道显微镜(STM)。针尖不只是测量工具,还充当机械工具:在固定偏压下增大隧道电流会缩小针尖与样品的间距,施加排斥力使 FeSe 晶格扩张。对晶格应变敏感的 dz2 能带因此向 EF 上移,而 dxz/dyz 和 dxy 能带则略微远离 EF。
作者在 30 pA 至 9 nA 的电流范围内追踪宽偏压 dI/dV 谱,看到 dz2 特征快速移向 EF,先在电流 I3(2 nA)处与 dxz/dyz 能带合并,再在 I4(4 nA)处与 dxy 能带合并。合并的标志是 dxz/dyz 和 dxy 能带向远离 EF 的方向弯曲加剧,作者将其解读为杂化。他们指出,示意图中的能带位置是推断出来的,因为局域谱的动量空间分辨率有限。
能隙分两阶段增长,每次交叉都出现拐点
超导能隙本身分两个阶段增长。在 dz2 与 dxy 能带交叉之前,能隙从 17.8 meV 升至 23.6 meV,作者将其归因于拉伸应变下电子关联增强,以及参与配对的 d 能带发生重整化。两条能带相交之后,更强的增强随之出现。
谱学上的标志是相干峰上出现一对新拐点,恰好出现在 I3 和 I4 处。作者把这些拐点解释为 EF 附近的 Bogoliubov 准粒子对杂化的响应,杂化对象是位于约 -90 meV 和 -77 meV 的能带。他们表示拐点的来源仍需进一步研究,但把两个电流处能隙增长斜率的变化视为能带重构驱动能隙放大的直接证据。
准粒子干涉给出动量空间证据
仅靠局域谱只能显示相关性,因此作者补充了准粒子干涉(QPI)成像。薄膜中的 Fe 空位充当散射源;实空间 dI/dV 图及其傅里叶变换显示出环状散射波矢,来自 M 点处电子型口袋内的带内散射。
作者对 11 个电流下的这些波矢做抛物线色散拟合,得到能带底和有效质量。两者在 I4 附近都急剧变化:能带底下移,有效质量减小。作者强调,质量减小只是局域效应,即 EF 附近的 dxy 能带通过与上移的 dz2 能带杂化而被“拉低”;这种杂化是否改变整个布里渊区的 dxy 和 dyz/xz 能带带宽,目前的 QPI 分析无法确定。所有电流下拟合得到的正常态费米波矢几乎相同,说明掺杂浓度未变,这支持能带重构而非载流子变化是能隙增强的原因。
I3 处还出现第二个 QPI 特征:较低电流下在约 -70 meV 可见的空穴型 dxy 能带,在 dz2 能带与 dxz/dyz 能带顶部合并后消失,这与杂化增强相符。
Bogoliubov 色散把能隙与超导性联系起来
为证明增大的能隙确实是超导能隙,作者绘制了 Bogoliubov QPI,即超导准粒子的干涉图样。这些色散会被温度和磁场抑制,这正是超导态而非普通谱学特征应有的行为。
从这些集体激发中提取的定量能隙函数,在幅度和各向异性上都与局域 STS 以及此前的 ARPES 数据一致。局域探针与动量分辨探针给出的一致结果,是论文的核心论据:针尖增强的谱权重反映的是真实的超导能隙,而不是针尖造成的假象。
因果论断的边界
证据有力但有边界。杂化图像得到 QPI 导出的能带参数和应变相关密度泛函计算的支持,但作者称这些计算只是定性的,因为完整描述单层 FeSe/STO 的电子结构仍然困难。受动量分辨率限制,图中示意性的能带位置并不精确。
空间分辨数据还提示一点:在固定电流下,dz2 能带的绝对能量与局域能隙大小并不直接相关,高电流下能隙仍有约 3 meV 的变化,说明微观不均匀性等其他因素也在起作用。真正系统性的,是随电流变化的共同演化,且这一演化在多个位置都能重现。
深层能带工程成为设计优先级
论文的实际信息是优先级的转变,而不是新的材料配方。在这个体系中,决定性变量不只是哪些轨道位于 EF,还包括能否让一条深层能带与它们接触。阈值就是能带交叉:dz2 在 I4 处与 dxy 相遇后,能隙增长加速;作者认为 dz2-dxy 通道是关键,因为 I3 处与 dxz/dyz 的交叉只在局域 STS 中产生拐点,并未使 BQPI 的能隙趋势出现突变。
对习惯传统轨道选择性图像的读者来说,相关的比较是两个交叉之间:只有在 dz2-dxy 杂化处,局域探针和动量分辨探针才一致显示更强的增强。作者留下的开放问题是,这种深层能带策略能在多大范围内从单层 FeSe/STO 推广到其他多轨道关联材料。
本文引用的文献
从能带重构到 Bogoliubov 色散:dz2 能带如何增强铁基超导
针尖诱导的晶格扩张使单层 FeSe/STO 中深层 dz2 能带上移,与参与配对的 dxz/dyz 和 dxy 能带杂化,产生从 17.8 meV 到 23.6 meV 的两阶段超导能隙增强,并由准粒子干涉和 Bogoliubov QPI 证实。
