елементи

абстрактно

Откриването на високотемпературна свръхпроводимост в съединения на базата на Fe предизвика множество изследвания на взаимодействието между свръхпроводимостта и магнетизма и повишаването на температурите на преход чрез интерфейсни ефекти. Обикновено се смята, че развитието на оптимална свръхпроводимост е тясно свързано с потискане на радиореда на дълги разстояния (AFM), въпреки че точното микроскопично изображение остава неразбираемо поради липсата на атомно разрешени данни. Тук представяме спин-поляризирана сканираща тунелна спектроскопия на ултратънки филми FeTe 1- x Se x (x = 0, 5) върху топологични изолатори на обем. Изненадващо открихме енергийна празнина на нивото на Ферми, показваща свръхпроводящи корелации до Tc ∼ 6 K за една единична клетка FeTe, отглеждана върху Bi2 Te3, за разлика от не свръхпроводящия насипен FeTe. Пропастта пространствено съвпада с биколинеарния AFM ред. Това откритие отваря перспективи за теоретични изследвания на конкурентни серии в Fe-базирани свръхпроводници и за експериментални изследвания на екзотични фази в свръхпроводящи слоеве на топологични изолатори.

Топологичните изолатори (TI) и междуфазните свръхпроводници (SC) са теми от силен текущ интерес към съвременната физика на кондензираното вещество 1, 2. Очаква се комбинацията от двата материала да разкрие нова физика, като Majorana Fermions, които се срещат в TI и SC s-вълнови хетероструктури чрез включване на магнитни полета 3. Повечето експериментални изследвания на такива хетероструктури са фокусирани върху TI филми, отглеждани върху свръхпроводящи насипни субстрати 4. Алтернативно, SC/TI хетероструктурите могат да бъдат реализирани чрез отглеждане на свръхпроводящи филми върху непокътнати обемни TI.

Използвайки нискотемпературна спин-поляризирана сканираща тунелна спектроскопия (SP-STS), ние изследваме корелацията между филмовата структура, локалните електронни, свръхпроводящи и зависими от спина свойства. на ниво Ферми в UC тънки филми FeTe, епитаксиално отгледани върху Bi2 Te3 (111), могат пространствено да съжителстват в атомен мащаб с двуизмерен AFM ред на големи разстояния.

резултатът

Структурни свойства на FeTe тънки филми 1− x Se x

междуфазна

Изображение в пълен размер

Въпреки че това проучване се фокусира върху единичен слой FeTe върху Bi2 Te3 (111), ултратънките филми FeTe 1 - x Se x (x = 0,5), отглеждани върху трикомпонентен TI Bi 2 Te 1, 8 Se 1, 2 (111), служат като важна справка система 20. В съответната обемна система FeTe двуколинейният AFM показва порядък, докато свръхпроводимостта може да бъде индуцирана и значително увеличена до 15 K с частично заместване на Se за Te при x = 0,5 (справка 12). Следователно е особено интересно да се изследва как свръхпроводящото състояние се развива от магнитно подредено състояние със заместване на Se в тънкослойната система, която изучавахме тук.

Висококачествени, тънки UC тънки FeTe 0.5 Se 0.5 филми (допълнителна фигура 2) с добре дефинирана стехиометрия бяха отгледани епитаксиално върху подложки Bi2 Te 1, 8 Se 1.2 (111), използвайки подобен метод на приготвяне като FeTe филми. Атомно разрешени топографски STM изображения на разцепената повърхност на подложката Bi 2 Te 1.8 Se 1.2 (фиг. 1g) показват атомите Se и Te в най-горния слой на повърхността, които са малко по-тъмни, съответно. стехиометрия 21. Типично топографско STM изображение на един UC тънък филм FeTe 0.5 Se 0.5, растящ отгоре (фиг. 1h), показва подредена квадратна мрежа от атоми Se/Te с около половината атоми, които изглеждат по-ярки (52%, места Te), досега другата половина изглежда по-тъмна (48%, петна Se), с разлика във височината 65 ± 15 pm, близка до стойността, намерена за аналогично легирани проби FeTe 1− x Se x 12, 22 .

Характеризиране на свръхпроводящите свойства

За да се характеризира електронната структура на тези филми, бяха извършени STS измервания на тунелната диференциална проводимост (d I/d U) като функция от приложеното напрежение на отклонение, отразяващо локалната плътност на пробите. Фигура 2а показва индивидуалните тунелни спектри, измерени върху един UC тънък филм FeTe 0, 5 Se 0, 5 и върху подложка Bi2 Te 1, 8 Se 1, 2 при температура T = 1, 1 K. FeTe филм 0,5 Se 0, 5 показва обща U-форма във формата d I/d U спектър с почти изчезваща стойност на проводимост на нивото на Fermi (EF) и енергийна междина Δ = 2,5 meV, определена от половината от разстоянието между двата остри пика на съгласуваност на ФИГ. 2а. Тази измерена стойност на празнината е същата като размера, измерен на повърхността на съответния свръхпроводящ насипен материал 23. За да определим критичната температура Tc на нашите филми FeTe 0,5 Se 0,5, извършихме измервания на dI/d U в зависимост от температурата от 1,1 до 11 K (вж. Фиг. 2б). Както се очаква, наблюдаваната енергийна междина vd I/d U намалява с повишаване на температурата и в крайна сметка изчезва при 11 K. Стойностите на енергийната междина за различни температури (показани на фиг. 2в) бяха извлечени от коригирани на фона улавяния и симетризирани d I/d U спектри (за обработка на данни вижте Допълнителна фигура 3), използвайки плътност на състоянието на Dynes,

, с плътността на състоянията в нормално състояние при енергията на Ферми N n (E F) и реалната част, където параметърът Γ е отговорен за удължаването на живота на квазичастиците 24. Изграждането на температурната зависимост на пролуката в рамките на теорията на Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) 25 осигурява енергийна пролука при 0 K Δ 0 = 2,0 meV и извлечена T c = 11 K, подобно на стойностите, извлечени от STS върху съответните свръхпроводящи насипни материали 23, 26. Температурната зависимост на dI/d U спектрите, както и получената стойност на Tc, осигуряват сериозни доказателства, че наблюдаваната празнина възниква от свръхпроводимост в ултратънък филм FeTe 0,5 Se 0,5, отгледан върху Bi2 Te 1,8 Se 1,2 .

Изображение в пълен размер

Пространствена вариация на свръхпроводяща корелация

След установяване на ясни доказателства за свръхпроводящи корелации в отделни UC FeTe слоеве, отглеждани върху Bi2 Te3 под 6 K, сега се фокусираме по-подробно върху пространственото поведение на тези корелации в страничната граница на слоя FeTe и подложката Bi2 Te3. вариации на тунелни спектри през стъпката от сложен слой от UC FeTe до подложката Bi2 Te3 (фиг. 3а, b). Получените тунелни спектри през интерфейса по линията, показана на фиг. 3а, получени при T = 1, 1 K (фиг. 3в), отново показват наличието на празнина поради свръхпроводящи корелации в горната част на слоя FeTe, който изчезва върху подложката TI. Експоненциална функция на разпадане (фиг. 3d), водеща до дължина на разпада около ξ = 8, 9 Å при T = 1, 1. К. Тази дължина на разпада е мярка за дължината на кохерентност на Cooper 31, 32 двойки, която очевидно е еднакво малка, като например в насипно състояние FeTe 0.6 Se 0.4.4 (справка 26).

а ) STM топография (25 nm × 25 nm), показваща Bi2 Te3 тераса и вграден тънък слой FeTe, направен от UC (U = 100 mV, I s = 50 pA). б ) Атомно разрешена STM-подобна топография (U = 50 mV, I s = 50 pA, диференцирана по отношение на хоризонталната ос, колона с бяла скала, широка 3 nm). ( ° С ) Дву- и триизмерно представяне на нормализирани и симетрични d/d U спектри, преминаващи през стъпка по линията, маркирана в а по посока на стрелката. ( д ) Еволюция на процепа (маркери), определени от спектрите в ° С, чрез измерване на площта, затворена от междината в рамките на напрежение от ± 1 meV от напрежението. Плътната линия показва адаптацията към експоненциалното разпадане, което води до дължина на разпада ξ = 8, 9 Á. д ) Топографска височина, взета по същата линия, използвана за данните в букви ° С, д .

Изображение в пълен размер

Магнитни свойства с помощта на SP-STM

Нашите резултати върху епитаксиално отгледани слоеве FeTe върху Bi2 Te3 потвърждават, че споменатата по-горе двумерна свръхпроводимост в FeTe/Bi2 Te3 14, 15 хетероструктури е свързана с наличието на свръхпроводящ слой FeTe, разположен на интерфейса. Сега се връщаме към централния въпрос за това дали обичайният биколинеен AFM ред на насипния FeTe (справка 16) е потиснат на FeTe интерфейса на слоя Bi2 Te3, както се предлага от He et al. 14, или дали може да съществува едновременно със свръхпроводящите корелации, които наблюдавахме.

Изображение в пълен размер

( а - ° С ) SP-STM изображения (U = 100 mV и I s = 100 pA, бяла скала, ширина 3 nm, цветна скала от 0 до 31 μm видима височина) и ( д - е ) съответстващи FFT данни (размер на фигурата 0,75 Å -1), получени при B = 0,5 T, използвани извън Cr сензора, чувствителен към равнината, при различни температури, както е посочено в а - ° С . Положението на повърхността е еднакво и в трите набора от данни SP-STM. Спиновата структура е здрава и интензивността на магнитния контраст е почти еднаква и при трите температури. ( ж ) Температурната зависимост на енергийните междини Δ се нанася заедно с магнитния контраст, количествено измерен от съотношението на интензитета на точките на БПФ при q AFM a q Te и от SP-STM v изображения д - е и подобни изображения, направени при други температури. Грешките в Δ показват максималния диапазон от стойности, използвани в теста на Dynes, което води до приемливо съгласие с експерименталните спектри. Грешките в магнитния контраст показват средното отклонение, което се изчислява от два набора от данни.

Изображение в пълен размер

дискусия

И накрая, отбелязваме, че изтичането на междина в TI подложката през интерфейса FeTe - Bi 2 Te3 (фиг. 3в) показва наличието на свръхпроводящи корелации в материала TI близо до интерфейса. Атомната острота на този интерфейс предполага, че топологичното състояние на повърхността на TI подложката остава непокътнато, както наскоро беше показано от експерименти с фотоемисия в случая на хетероструктурата FeSe - Bi2 Se3 41. Поради това интерфейсът FeTe-Bi 2 Te 3 осигурява идеална платформа за изучаване на интересната физика на фермионите на Dirac в контакт с двойки Купър.

методи

проби

Обемните монокристали TI Bi2 Te3 и Bi2 Te 1.8 Se 1, 2, използвани като субстрати в това проучване, са синтезирани по метода на Stockbarger и са добре характеризирани с помощта на ъглово-резонансна фотоемисионна спектроскопия, дифракция на рентгенови лъчи на прах, индуктивно свързан плазмен атом. -специална спектроскопия и потенциални микроскопски измервания на Seebeck 21, 42. За всички субстрати точката на Дирак се намира енергийно под нивото на Ферми, което показва n допинг. Подготовката и характеризирането на Fe-халкогенидния филм се извършва в UHV система с базово налягане по-малко от 1 х 10 - 10 mbar. Кристалите TI се разцепват in situ при UHV условия и се приготвят висококачествени FeTe 1− x Se x (x = 0, 0,5) тънки филми чрез нанасяне на 0,5–1 ML Fe при 300 K върху Bi 2 Te 3 и Подложки Bi 2 Te 1.8 Se 1.2, съответно, използвайки молекулярна лъчева епитаксия, последвано от отгряване до максимална температура от 315 ° C за 15 минути. Fe, отложен върху Bi 2 Te 3, реагира със субстрата при отгряване, най-вероятно чрез заместващ процес на Bi с Fe (реф. 43), което води до висококачествен филм без дефекти FeTe.

Експериментални техники

Всички експерименти със STM/STS бяха проведени със STM в UHV при температури между 1,1 и 14 K (реф. 24). Магнитно поле B до 3 T може да се приложи перпендикулярно на повърхността на пробата. Топографските изображения са получени в режим на постоянен ток със стабилизиращ ток I s и напрежение на отклонение U, приложено към пробата. Данните за STS бяха получени с помощта на заключваща техника за записване на диференциалната тунелна проводимост d I/d U чрез добавяне на напрежение на променливотоково модулиране U mod (дадено в rms) към напрежението на отклонение, след стабилизиране на върха при I s и U, превключване изключете обратната връзка и увеличете приложеното пристрастие U. Използвахме отрязани PtIr или електрохимично гравирани W върхове (и двете in situ мигащи) за осреднени обрати и измервания на спектроскопия. За измервания с разрешено въртене използвахме насипни накрайници Cr, които бяха приготвени чрез електрохимично ецване, последвано от обработка на полево излъчване с високо напрежение, използвайки W (110) или Ta ​​(001) като субстрат.

$ config [ads_text16] не е намерен

Наличност на данни

Авторите заявяват, че основните данни, подкрепящи констатациите от това проучване, са налични в статията и нейните допълнителни информационни файлове. Допълнителна информация се предоставя от съответния автор при поискване.

Допълнителна информация

PDF файлове

Допълнителна информация

Допълнителни фигури 1-9 и допълнителни референции

Коментари

Изпращайки коментар, вие се съгласявате да спазвате нашите Общи условия и насоки на общността. Ако смятате, че това е обидно действие, което не отговаря на нашите условия или насоки, моля, сигнализирайте за неподходящо.