Рисунок 1
(а) Топографическое изображение структуры доменных стенок (яркая линия) в 1-UC Fe(Te,Se)/STO, полученное СТМ.
(b) Схема доменной стенки в 1-UC Fe(Te,Se)/STO, иллюстрирующая сжатие через доменную стенку.
(c) Увеличенное изображение a, четко показывающее топографию доменной стенки D1.
(d) Величина преобразования Фурье c. Брэгговские пики решетки Te/Se обведены красным.
( e ) Карта проводимости с нулевым смещением (ZBC) g (r, V = 0 мВ), полученная в той же области на c при 4, 3 K, которая показывает возникающую электронную модуляцию вдоль доменной стенки.
(f) Величина преобразования Фурье e. Волновой вектор модуляции Q, обведенный синим, показывает пространственную модуляцию LDOS в направлении доменной стенки.
(g) Пространственное распределение амплитуды модуляции LDOS, рассчитанное методом двумерной синхронизации, показывающие модуляции LDOS при Q, характеризующиеся более высокой амплитудой (красная область), в основном существуют в области доменной стенки.
(h) Пространственное распределение фазы модуляции LDOS, показывающее однородные фазы в области доменной стенки.
Предоставлено: Пекинский университет.

Как макроскопическое квантовое состояние материи сверхпроводимость за последнее столетие привлекла огромное внимание в области научных исследований и промышленности. Согласно микроскопической теории БКШ (Бардина-Купера-Шриффера), сверхпроводимость возникает в результате конденсации когерентных куперовских пар, и каждая куперовская пара образована двумя электронами с противоположными спинами и импульсами.

Теоретически, когда симметрия обращения времени нарушается, куперовские пары могут приобретать конечный импульс и демонстрировать пространственно-модулированный сверхпроводящий параметр порядка, известный как состояние Фульде-Феррелла-Ларкина-Овчинникова (FFLO). Хотя состояние FFLO было теоретически предложено в 1964 году, наблюдение за состоянием FFLO оказалось сложным из-за строгих требований к материалам. На сегодняшний день прямых доказательств состояния FFLO, таких как модуляция сверхпроводящего параметра порядка в реальном пространстве, экспериментально не обнаружено.

Чтобы понять наблюдаемые двумерные (2D) сверхпроводящие свойства в купратах, в некоторых теоретических работах было предсказано, что куперовские пары с конечным импульсом могут существовать в системах с сильной связью без нарушения симметрии обращения времени и демонстрировать пространственную модуляцию плотности куперовских пар. Это необычное сверхпроводящее состояние, называемое волной плотности пар (PDW), вызвало многочисленные теоретические исследования из-за потенциальной связи между PDW и нетрадиционной сверхпроводимостью.

Среди различных теоретических гипотез наиболее интригующей является то, что PDW является еще одним основным состоянием наряду с d-волновой сверхпроводимостью на фазовой диаграмме купратов, что дает новое понимание сложных переплетенных порядков купратов, демонстрирующих высокотемпературную сверхпроводимость. Более того, согласно некоторым теоретическим предположениям, загадочная фаза псевдощели купратов может быть связана с состоянием PDW, что еще раз указывает на потенциальную важность PDW.

Однако экспериментальные свидетельства состояния PDW в высокотемпературных (высокотемпературных) сверхпроводниках наблюдались только в некоторых купратах. Существование состояния PDW в сверхпроводниках на основе железа, еще одном семействе высокотемпературных сверхпроводников, никогда не обнаруживалось экспериментально. Кроме того, ранние теоретические исследования купратов предполагали, что PDW представляет собой низкоразмерный полосовой порядок в 2D-системах, но до сих пор не сообщалось об убедительных экспериментальных доказательствах PDW в 2D-системах.

Недавно группа профессора Цзянь Вана из Пекинского университета в сотрудничестве с профессором Цзыцяном Ваном из Бостонского колледжа и профессором И Чжаном из Шанхайского университета открыла волновое состояние первичной парной плотности в двумерном высокотемпературном сверхпроводнике на основе железа, которое обеспечивает новая двухмерная высокотемпературная платформа для исследования PDW в нетрадиционных сверхпроводниках. Их статья опубликована в журнале Nature.

Используя метод молекулярно-лучевой эпитаксии (MBE), группа Цзянь Ванга успешно вырастила высококачественные пленки Fe(Te,Se) с большой площадью и толщиной в одну элементарную ячейку на подложках SrTiO 3 (001) (1-UC Fe( Te ,Se)/STO), у которых сверхпроводящая щель достигает 18 мэВ, что намного выше, чем у объемного Fe(Te,Se), перспективного кандидата в топологические сверхпроводники (~1,8 мэВ).

Ранее группа Jian Wang и ее сотрудники обнаружили возбуждения с нулевой энергией на обоих концах одномерных атомных линейных дефектов в 1-UC Fe(Te,Se)/STO, которые, как было установлено, согласуются с интерпретацией нулевых мод Майораны (Nat. Phys. 16, 536-540 (2020)). В настоящей работе исследована другая атомная структура в 1-UC Fe(Te,Se)/STO, врожденная доменная стенка, где атомная решетка сжата вдоль направления Fe-Fe поперек доменной стенки (рис. 1a–d) методом in situ низкотемпературной (4,3 K) сканирующей туннельной микроскопии/спектроскопии (СТМ/СТС). В области доменной стенки выявляется четкая пространственная модуляция локальной плотности статов (LDOS) (рис. 1e–f).

Выполняя двумерный синхронный анализ (рис. 1g–h), определяется период модуляции 3,6aFe (aFe — расстояние между соседними атомами Fe). Дальнейшие измерения, зависящие от напряжения смещения, показывают, что период модуляции LDOS не зависит от энергии, что свидетельствует о происхождении электронного порядка. Кроме того, модуляции LDOS, вызванные электронным упорядочением, в основном существуют в энергиях внутри сверхпроводящей щели, что указывает на то, что порядок заряда потенциально связан со сверхпроводимостью 1-UC Fe (Te, Se) / STO.

Рисунок 2
(а) Топография СТМ D2.
(b) 3D цветной график спектров dI/dV вдоль светло-серой стрелки на а. Обнаружена периодическая модуляция высоты пика когерентности.
(c) Измеренная высота пика когерентности в b (черная кривая). Красная кривая — извлеченная модуляция высоты пика когерентности с применением фильтра Фурье.
(d) Топография СТМ D3.
(e) Пространственное распределение энергии сверхпроводящей щели, измеренное в той же области на d. На вставке — гистограмма энергии сверхпроводящей щели.
(f) Энергия сверхпроводящей щели вдоль красной стрелки в e (красная кривая). Синяя кривая — извлеченная модуляция зазора с применением фильтра Фурье. Вставка: величина преобразования Фурье красной кривой f, показывающая острый пик Фурье при Q ~ 0,28QFe, соответствующий пространственным модуляциям с периодом около 3,6aFe.
(g) Величина преобразования Фурье e. Два пика Фурье при Q ~ ±0,28QFe отмечены красными кружками. На вставке показаны профили линий преобразования Фурье ZBC (красная кривая) и карта разрыва (черная кривая) в направлении от (0,0) до (1,0)QFe. На обеих кривых появляются пики при Q ~ 0,28QFe.
Предоставлено: Пекинский университет.

Выполняя дальнейшие измерения STS, обнаруживаются пространственные модуляции высоты пика сверхпроводящей когерентности (рис. 2a–c) и энергии запрещенной зоны (рис. 2d–f) на доменной границе. В предыдущих исследованиях сообщалось о сильной корреляции между этими двумя физическими величинами и сверхпроводящим параметром порядка. Таким образом, пространственная модуляция параметра сверхпроводящего порядка наблюдается непосредственно в реальном пространстве, что убедительно свидетельствует о существовании порядка PDW в двумерном высокотемпературном сверхпроводнике на основе железа.

Рисунок 3
(а) Схема первичного параметра порядка PDW с полудислокацией. Период PDW равен λ, а волновой вектор равен Q. Полудислокация обведена черным.
(b) Пространственная фаза a. Сдвиг π-фазы отмечен черной стрелкой.
(c) Схематическое изображение вторичной ВЗП, индуцированной состоянием PDW в a. Период ВЗП равен λ/2, а волновой вектор равен 2Q. Топологический дефект (вихрь) обведен черным.
(d) Пространственная фаза c, показывающая фазовую обмотку 2π вихря 2Q ВЗП.
(e) Экспериментальное пространственное изменение фазы 2Q ВЗП в доменной стенке D3. Вихри отмечены черными точками.
(f) Экспериментальное пространственное изменение фазы PDW при Q в доменной границе D3. Вихри ВЗП, отмеченные черными точками на e, нанесены поверх f. Стрелки в f указывают на π-фазовые сдвиги ВЗП, которые находятся в непосредственной близости от вихрей ВЗП, в соответствии с теоретическим сценарием, показанным в объявлении. На вставке — эволюция фазы по стрелкам f.
Предоставлено: Пекинский университет.

Помимо состояния PDW, на доменной границе также детектируется состояние волны зарядовой плотности (ВЗП) с периодом около 1,8aFe (половина периода PDW). На рис. 3д и 3е показаны фазовые карты состояния ВЗП (период ~ 3,6aFe) и ВЗП (период ~ 1,8aFe) на доменной границе, в которой вихри с 2π-фазовой намоткой в ​​фазе ВЗП (черные точки на рис. 3д ) и сдвиги π-фазы в фазе PDW (стрелки на рис. 3е). Видно, что сдвиги π-фазы в фазе ВЗП наблюдаются вблизи вихрей ВЗП, что согласуется с теоретическим сценарием первичной ВЗП и индуцированной ВЗП вторичной ВЗП (рис. 3а-г). Следовательно, состояние PDW, наблюдаемое на доменной границе 1-UC Fe(Te,Se)/STO, является первичным.

Чтобы объяснить механизм первичного состояния PDW на доменной стенке, профессор Ziqiang Wang и профессор Yi Zhang предложили новую модель триплетного равноспинового спаривания. На доменной границе нарушенная инверсия и зеркальная симметрия вводят спин-орбитальные связи Рашбы и Дрессельхауза (SOC). Из-за большого SOC электроны с одинаковым спином могут спариваться через точки Ферми полос расщепления SOC, что приводит к первичному состоянию PDW с куперовскими парами с конечным импульсом. Теоретические расчеты, основанные на модели равноспинового спаривания, показывают пространственную модуляцию LDOS и сверхпроводящей щели, которые согласуются с нашими экспериментальными результатами и показывают возможное существование топологических спин-триплетных параметров сверхпроводящего порядка.