电子-声子耦合新解：提升超导Tc的界面秘密!

【研究背景】

1 uc FeSe/STO是近年来超导研究领域的一个重要课题，因为其在界面处表现出显著提高的超导转变温度（Tc），这一现象吸引了广泛关注。然而，尽管研究显示Tc的提升与电子-声子耦合（EPC）有关，但其微观耦合机制及在超导性中的具体作用仍然不清晰。这一问题的复杂性在于FeSe与STO之间存在显著的空间分离，这与传统块体超导体的情况截然不同。

为了解决这一挑战，美国加利福尼亚大学尔湾分校潘晓晴团队采用了动量选择性高分辨电子能量损失谱（EELS）技术，以原子分辨率分析FeSe/STO界面处的声子。研究发现，界面中存在新的光学声子模式，这些模式与电子强耦合，进一步揭示了界面双TiOx层和STO中氧原子的垂直振动。此外，研究表明，1 uc FeSe/STO的EPC强度与层间距密切相关，这为Tc的增强提供了新的视角。

【表征解读】

本文通过高分辨率扫描隧道显微镜（STM）和透射电子显微镜（TEM）等先进表征手段，发现了1 uc FeSe/STO界面中氧原子的垂直振动，从而揭示了声子-电子耦合（EPC）在超导机制中的重要性。作者采用的振动光谱学结合q选择性方法，使得对复杂界面声子模式的研究更为深入，成功捕捉到STO基底和界面双TiOx层中氧原子的细微振动特征。这些发现为理解超导材料中EPC的作用机制提供了关键的微观见解。

针对超导材料中声子与电子的耦合现象，本文通过多种微观机理表征，得到了不同界面结构与超导能隙（Δ）之间的关系，进一步挖掘了界面均匀性对超导性能的影响。作者观察到，在不同dFe-Ti的界面中，EPC表现出短程特性，这一特性在超导临界温度（Tc）的变化中起到了关键作用。这种关系不仅说明了超导体的界面结构如何影响电子的耦合特性，还为设计新型超导材料提供了理论基础。

在此基础上，通过STM、TEM和电子能量损失谱（EELS）等多种表征手段，作者深入探讨了声子模式与EPC的相互作用，获得了丰富的实验数据。这些数据表明，氧的垂直振动对于增强EPC贡献至关重要，尤其是在界面双TiOx层和STO顶层氧的存在下。作者的研究进一步指出，界面层间距的变化与超导能隙的关联，为理解EPC强度及其对超导性的影响提供了新视角。

【图文速递】

图1: 超导1μC FeSe/STO的界面结构和振动光谱。

图2: 原子分辨声子光谱和成像。

图3: 电子-声子耦合electron–phonon coupling，EPC的DFT计算。

图4: 层间距对声子和超导电性的影响。

【科学启迪】

本文的研究揭示了1 uc FeSe/STO界面中声子模式与超导性之间的密切关系，尤其是界面氧原子的垂直振动对电子-声子耦合（EPC）的重要贡献。这一发现不仅深化了作者对超导机制的理解，还强调了界面结构均匀性在提高超导临界温度（Tc）中的关键作用。研究表明，dFe-Ti的微小变化可能导致超导特性的显著差异，提示作者在材料设计时应关注界面特性。此外，采用选择性振动光谱学的方法，可以精细探测复杂界面的原子级振动特征，为未来研究提供了新的工具和视角。这些科学启示为寻找新型高Tc超导材料提供了重要指导，表明通过调控界面性质可以实现超导性能的优化，从而推动超导材料在实际应用中的发展。这一研究不仅拓展了基础科学的视野，也为新材料的开发提供了理论支持，具有重要的应用潜力。

原文详情：Yang, H., Zhou, Y., Miao, G. et al. Phonon modes and electron–phonon coupling at the FeSe/SrTiO3 interface. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08118-0