偏置FeSe反铁磁

七绝@寄铁硒先生

库珀对对越时空

相斥相依两不同

谁笑铁硒薄若纸

万千物理尽丹衷

超导电性是量子材料的基石之一，这在过去超导物理与材料发展百年的历史脉络中可以看得很清楚。高温超导电性更是催生了量子材料作为一个新的领域出现，因为电子关联作为高温超导的核心物理被广泛认同，同时也大大强化了超导电性作为现代凝聚态物理主角之一的地位。

自从1911年发现超导体以来，物理学家一直在寻求临界温度更高的超导体。电子库珀对是形成超导最关键的因素。对常规的超导体，如汞、铝等，其库珀对是由一对电子通过交换声子发生相互作用形成。在常压下，常规超导体的临界温度很难超过40 K。众所周知，高温超导体在常压下的超导临界温度最高已经达到130 K，最有名的就是铜基超导体和铁基超导体。同样也众所周知，高温超导电性中库珀对的配对机制有其独特之处。

与传统超导电性不同，高温超导与反铁磁性密切相关。传统BCS理论中，库珀对配对并未要求反铁磁序的介入，而超导态反过来是抗磁的。所有高温超导体通常都由反铁磁体开始，通过掺杂等方法抑制反铁磁性，从而趋近量子相变，触发高温超导电性的出现。图1所示为表达这一物理的典型相图。更有甚者，在铁基超导体中，反铁磁自旋涨落被认为对形成库珀对起关键作用，虽然当前还未有定论。

图1. 高温超导典型相图，以铜基超导超导体为例：从未掺杂的反铁磁基态开始，很低的电子-空穴掺杂时体系保持反铁磁绝缘态。随着掺杂浓度增加，体系表现出导电性，在温度-掺杂浓度相图中可呈现不同电子态。在T_c温度以下出现超导电性，而在T_c和T^*区域之间是所谓的赝能隙态，虽然低掺杂区域赝能隙区域的边界细节仍然有待确认. 注意到，过掺杂区域的费米液体态与反常金属态之间的转变是弥散渡越式的。QCP表示体系的量子相变点(C. Varma, Nature 468, 184 (2010))。

在所有的铁基超导体母体中，FeSe具有最简单的晶体结构，其块体超导临界温度约为8 K。不过，这里稍显诡异的问题是：与图1所示的物理不同，常压下的实验在FeSe晶体中并未观察到反铁磁性。如果这一观测是真实的，这里的低温超导电性并不要求反铁磁母态。然而，清华大学薛其坤研究组首先发现，如果在(001)取向的Nb掺杂SrTiO₃单晶衬底(这种衬底是导电的)表面上外延生长单层FeSe薄膜，通过退火对FeSe薄膜进行电子掺杂后，可以形成非常大的超导能隙，能隙可以保持到65 K左右。这就是高温超导态了。随后，上海交通大学贾金峰研究组用原位测量电阻的方法，观测到单层FeSe/SrTiO₃薄膜的超导临界温度高达109 K。

上述结果引出了若干重要的科学问题，毫无疑问其中之一是：这种单层FeSe单晶薄膜为什么有如此高的超导临界温度？其中的物理可否归于图1所示物理框架？要回答这个问题，当然牵涉到很多物理层面，一个层面是无电子掺杂的单层FeSe薄膜是不是有反铁磁性？如果是，经过电子掺杂触发高温超导电性，就依然可以归属图1所示的物理。

第一性原理计算认为，单层FeSe/SrTiO₃薄膜的磁性基态可能跟体材料完全不同。与其它高温超导体类似，未掺杂时单层FeSe/SrTiO₃薄膜的磁性状态对理解超导机制非常重要，或者说，我们的挑战就是要借助实验确定。但是实验上要研究单层FeSe/SrTiO₃薄膜的磁性非常困难。常用的中子衍射技术、穆斯保尔谱等实验技术需要宏观尺度的样品，对单层原子薄膜无法测量。由于FeSe薄膜的表面原子天生就是没有磁性的Se原子，用自旋极化扫描隧道显微镜等表面灵敏的实验技术也无法探测其磁性。

那么，怎么办呢！有些人总是能够独辟蹊径，找到一些新的思路来破解这一困难。从事自旋电子学研究的学者都知道：对一铁磁/反铁磁异质结体系，铁磁体和反铁磁体之间存在交换相互作用。通过适当的实验处理，可以借助这一交互作用获得一些新的物理。例如，如果铁磁层的居里温度(T_Curie)高于反铁磁层的尼尔温度(T_Neel)，在外加磁场的同时把样品从高于T_Neel降温到低于T_Neel，则因为反铁磁体磁矩方向不能被磁场改变，会导致低温下铁磁层的磁滞回线偏离零磁场，如图2所示。这个现象被称为交换偏置。

图2. 交换偏置效应。对铁磁/反铁磁复合体系，外加磁场从高于T_Neel降温到低于T_Neel后，铁磁层的磁滞回线偏离零磁场，偏离方向一般与场冷时磁场方向相反。

OK，现在假定在Nb掺杂SrTiO₃衬底上生长的单层或者两层FeSe薄膜具有反铁磁性，如果在FeSe薄膜之上再生长一层T_Curie较高的铁磁层，如FeNi合金层，就构成了一个铁磁/反铁磁异质结。FeNi合金层的T_Curie可以通过调节成分而高于FeSe层的T_Neel。由此就构成了满足交换偏置要求的铁磁/反铁磁异质结。注意，这里只要适当控制退火温度，可以避免衬底对FeSe薄膜的电子掺杂，也就是说，这里得到的FeSe层是未掺杂的。如果图1所示的超导物理适用，FeSe薄膜的反铁磁态应该是本征基态。

南京大学吴镝研究组一直从事自旋电子学物理的研究工作，最近才开始涉足超导物理，学科交叉的优势立刻就显现出来。吴镝研究组与上海交通大学钱冬研究组通力合作，利用交换偏置效应研究了FeSe/SrTiO₃薄膜的磁性。通过严格对比，在具有单层和双层FeSe的铁磁/反铁磁异质结中观察到了明显的交换偏置效应，如图3所示，从而确定这里的外延FeSe薄膜的确具有反铁磁性。对单层FeSe薄膜，交换偏置效应直到约140 K才消失，说明单层FeSe薄膜的T_Neel不低于140 K。这一温度已经远高于高压下FeSe体材料中观测到的T_Neel。随后，对样品在合适条件下进行退火处理，向单层FeSe薄膜中注入电子，不出所料，交换偏置效应消失，也就是说FeSe层中的反铁磁性消失。

图3. (a) 样品结构，其中Au层为防止样品氧化。(b) FeSe厚度为单层时场冷后测量的磁滞回线。(c) 磁滞回线在矫顽力附近的放大，可以看到交换偏置效应。(d) 单层、双层和退火后FeSe/SrTiO₃薄膜交换偏置场随温度的变化。

这一工作判定了FeSe/SrTiO₃母体薄膜具有反铁磁性，有助于进一步深入理解FeSe/SrTiO₃薄膜中磁性与超导电性的关联。当然，从方法学上看，这一工作很巧妙地利用磁学中的一类经典物理效应解决了FeSe超导电性物理中的一个未解问题，也展示了交换偏置效应作为低维和二维材料反铁磁性探测指针的意义，有良好学术价值。值得再次强调，不同研究背景的研究组交叉合作对实现这一目标看起来恰到好处，也展示了领域交叉的重要性。这里，上海交通大学贾金锋教授研究组和中科大陈仙辉教授研究组对完成这一工作提供了可贵的支持。该工作最近发表于Phys. Rev. Lett. 120, 097001 (2018).

备注：封面来自于Ming Yi/Stanford University，展示了库珀对的意义。

https://www6.slac.stanford.edu/news/2014-04-24-scientists-watch-high-temperature-superconductivity-emerge-out-magnetism.aspx