探寻钛酸锶衬底上单层铁硒薄膜的高温超导机制│Science Bulletin封面文章

加州大学伯克利分校李东海教授课题组、清华大学姚宏教授课题组和北京大学王垡教授课题组进行合作，开展了对于铁基超导中超导转变温度最高的体系——SrTiO₃衬底上的单层铁硒薄膜的理论研究。他们首次将无费米符号的量子蒙特卡洛计算方法运用在铁基超导的研究中，这是铁基超导研究中第一个无近似的理论计算工作，对于理解铁基超导材料的超导配对机理以及进一步探索新的更高转变温度的超导体提供了重要的启示。

       将超导体的转变温度提升至实际应用中易达的范围是物理界乃至整个科学领域中最重要的课题之一。1987年，人们发现了超过液氮沸点(77K)的高温超导，在超导研究领域迈出了重大的一步。迄今为止，人们发现了很多与之相关的高温超导体，这类超导体都是基于铜氧化物材料。2008年，超导研究界迎来了另一个振奋人心的发现，科学家们发现了一类与铜氧化物材料截然不同的高温超导体——铁基超导体。这类超导体的母体是铁和磷族化合物。其发现再一次掀起了超导研究的热潮。然而，在铁基超导体中，人们一直没有找到超导转变温度高于液氮沸点的体系。直到2012年，清华大学薛其坤院士领衔的研究组成功地在SrTiO₃衬底上生长了单层铁硒薄膜(图1)，并且发现了其超导转变温度高于液氮沸点的迹象。之后的一系列实验验证了这一发现，单层铁硒材料也成为了迄今为止人们发现的转变温度最高的铁基高温超导材料。

←图1 单层铁硒薄膜生长在SrTiO₃衬底上的示意图

       伴随着这一重大发现，物理学家们也面临着一个亟待解决的问题，就是什么样的机制导致了单层铁硒薄膜有着超出于其余铁基超导体的转变温度。在超导体中，超导源自于电子形成了“库珀对”，这些库珀对是超导中传递零电阻电流的载流子。因此，所谓超导的机制就是解释形成库珀对的物理原因。早在20世纪50年代，巴丁、库珀和施里弗提出的BCS理论成功解释了常规超导体(低温超导)中形成库珀对的机制，三人也因此获得了诺贝尔物理学奖。但是对于铜氧化物和铁基这一类的高温超导体，迄今为止没有一个大家公认的理论。解释高温超导体材料中超导的物理机制，是当今理论物理界一个非常重要的难题。由于铜氧化物和铁基高温超导体材料都属于强关联材料，电子之间的相互作用扮演着重要的角色。物理学家很难找到一种可控的非微扰计算方法，来对这些体系进行研究。这也是高温超导至今没有一个理论解释得到普遍认可的主要原因，对于单层铁硒材料也类似。       最近，加州大学伯克利分校李东海教授研究组，清华大学姚宏教授研究组以及北京大学王垡教授研究组进行合作，首次将量子蒙特卡洛计算方法运用在了铁基超导的计算中。量子蒙特卡洛计算方法是一种无近似可控的非微扰计算方法，能够得到强关联体系的严格基态性质，因此这也是铁基超导体中第一个无偏向性，无近似的非微扰计算工作。他们利用铁基超导中多轨道的特性，在对铁基超导的量子蒙特卡洛模拟计算中解决了费米符号问题，研究了单层铁硒材料中自旋序涨落、向列序涨落以及界面电声子耦合对超导库珀配对形成的影响。       首先，他们计算了不同的相互作用下形成的库珀对的对称性。库珀对的波函数跟分子(比如H2分子)的波函数相似，它是库珀对中以两个电子的相对坐标为变量的波函数(图2)。配对波函数的对称性指的是当转动电子的相对坐标时，波函数的相位变化的行为。由于库珀对的对称性能够在不同的实验中被测量，因此这项工作为今后的凝聚态实验提供了重要的线索，通过测量库珀对的对称性从而知道单层铁硒材料中诱导形成库珀对的微观有效相互作用。

图2 不同对称性下的库珀对波函数。左图中库珀对波函数在90度旋转下不变，右图中库珀对波函数在90度旋转下反号

       更加重要的一点是，这项工作的结果显示，无论铁硒超导是哪一种配对对称性，铁硒和SrTiO₃材料界面处的声子能够显著地提高超导转变温度。通过计算发现，在加入了电声子耦合之后，单层铁硒超导中配对强度有了显著的增加。这一发现说明了界面处声子对于铁硒超导中的高转变温度起着非常重要的作用。根据这些结果，研究者得到了单层铁硒薄膜中反铁磁涨落和界面电声子耦合相互作用诱导产生超导的相图，这是铁基超导中第一个无近似理论计算的相图(图3)。

图3 由量子蒙特卡洛计算得到的单层铁硒薄膜中随着反铁磁涨落强度的变化，超导和反铁磁序的相图。黑色正方形代笔反铁磁序的序参量大小，红色的圆形代表超导序参量的大小，其中空心和实心的圆形分别代表考虑了电声子耦合和没有考虑电声子耦合的情况

       这项工作是第一个对于铁基超导体电子配对机制的无近似量子蒙特卡洛理论研究。研究结果除了能够有助于我们理解SrTiO₃衬底上单层铁硒超导的高转变温度，也指出了高温超导材料中电子相互作用以及电声子耦合这两种来源不同但又能够相互促进的配对驱动力。因此，这些计算结果也为我们寻找更高转变温度的超导材料提供了新的思路。这一工作在国际同行中也引起了重大的反响，国际知名的凝聚态理论物理学家，斯坦福大学Kivelson教授专门撰文对该工作进行了评价，并对其主要结果给予了高度肯定。

相关文章Zi-Xiang Li, Fa Wang, Hong Yao, Dung-Hai Lee. What makes the Tc of monolayer FeSe on SrTiO₃ so high: a sign-problem-free quantum Monte Carlo study. Science Bulletin, 2016, 61(12):925-930http://link.springer.com/article/10.1007/s11434-016-1087-x 
Steven A. Kivelson. What really happens in strongly correlated superconductors: insights from a quantum Monte-Carlo study of high temperature superconductivity in FeSe films. Science Bulletin, 2016, 61(12):911-913http://link.springer.com/article/10.1007/s11434-016-1101-3

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