obiecte

abstract

Descoperirea superconductivității la temperaturi ridicate în compușii pe bază de Fe a declanșat numeroase investigații în interacțiunea dintre superconductivitate și magnetism și creșterea temperaturilor de tranziție prin efecte de interfață. În general, se crede că dezvoltarea superconductivității optime este strâns legată de suprimarea ordinii radio pe distanțe lungi (AFM), deși imaginea microscopică exactă rămâne de neînțeles din cauza lipsei datelor rezolvate atomic. Aici prezentăm spectroscopia de tunelare cu scanare polarizată prin spin a filmelor ultra-subțiri FeTe 1- x Se x (x = 0, 5) pe izolatori topologici de volum. În mod surprinzător, am găsit un decalaj de energie la nivelul Fermi, indicând corelații supraconductoare până la Tc ∼ 6 K pentru o unitate de celule FeTe crescute pe Bi2 Te3, spre deosebire de FeTe în vrac non-supraconductoare. Decalajul spațial coincide cu ordinea AFM bi-coliniară. Această constatare deschide perspective pentru studii teoretice ale seriilor concurente în superconductori pe bază de Fe și pentru cercetarea experimentală a fazelor exotice în straturi supraconductoare pe izolatori topologici.

Izolatorii topologici (TI) și supraconductorii interfazici (SC) sunt subiecte de intens interes intens în fizica modernă a materiei condensate 1, 2. Se așteaptă ca combinația ambelor materiale să dezvăluie o nouă fizică, cum ar fi fermioanele Majorana, care apar în heterostructurile unde TI și SC prin includerea câmpurilor magnetice 3. Majoritatea studiilor experimentale ale unor astfel de heterostructuri s-au concentrat pe filmele TI cultivate pe substraturi vrac supraconductoare 4. Alternativ, heterostructurile SC/TI pot fi realizate prin creșterea peliculelor supraconductoare deasupra TI volumetrice intacte.

Folosind spectroscopia de tunelare cu scanare polarizată prin spin la temperatură joasă (SP-STS), investigăm corelația dintre structura filmului, proprietățile electronice locale, supraconductoare și dependente de spin. la nivelul Fermi în filme UC FeTe subțiri crescute epitaxial pe Bi2 Te3 (111) pot coexista spațial pe o scară atomică cu un ordin bidimensional AFM pe distanțe mari.

Rezultatul

Proprietățile structurale ale peliculelor subțiri FeTe 1− x Se x

superconductivitatea

Imagine la dimensiune completă

Deși acest studiu se concentrează pe un singur strat de FeTe pe Bi2 Te3 (111), filmele ultra-subțiri FeTe 1− x Se x (x = 0,5) cultivate pe TI ternar Bi 2 Te 1, 8 Se 1, 2 (111) servesc ca importante sistemul de referință 20. În sistemul FeTe în vrac corespunzător, AFM bi-coliniar arată un ordin de mărime, în timp ce supraconductivitatea poate fi indusă și crescută substanțial până la 15 K cu o substituție parțială a Se pentru Te la x = 0,5 (ref. 12). Prin urmare, este deosebit de interesant să investigăm modul în care starea supraconductoare evoluează dintr-o stare ordonată magnetic cu substituție Se în sistemul de film subțire pe care l-am studiat aici.

Filme subțiri de calitate înaltă, subțiri, cu FeTe 0,5 Se 0,5 (Figura suplimentară 2) cu stoichiometrie bine definită au fost crescute epitaxial pe substraturi Bi2 Te 1, 8 Se 1,2 (111) folosind o metodă de preparare similară cu cea pentru filmele FeTe. Imaginile STM topografice rezolvate atomic ale suprafeței clivate a substratului Bi 2 Te 1.8 Se 1.2 (Fig. 1g) arată atomii Se și Te în stratul superior al suprafeței, care sunt ușor mai întunecate, respectiv. stoichiometrie 21. O imagine topografică tipică STM a unui film subțire UC FeTe 0,5 Se 0,5 care crește deasupra (Fig. 1h) prezintă o grilă pătrată ordonată de atomi de Se/Te, cu aproximativ jumătate din atomii care par mai luminoși (52%, site-uri Te), până acum ce cealaltă jumătate apare mai întunecată (48%, pete Se), cu o diferență de înălțime de 65 ± 15 pm, aproape de valoarea găsită pentru probele de FeTe dopate în mod similar 1− x Se x 12, 22 .

Caracterizarea proprietăților supraconductoare

Pentru a caracteriza structura electronică a acestor filme, măsurătorile STS ale conductivității diferențiale în tunel (d I/d U) au fost efectuate în funcție de tensiunea de polarizare aplicată, reflectând densitatea locală a probelor. Figura 2a prezintă spectrele individuale ale tunelului măsurate pe un film subțire UC FeTe 0, 5 Se 0, 5 și pe un substrat Bi2 Te 1, 8 Se 1, 2 la o temperatură T = 1, 1 K. Film FeTe 0,5 Se 0, 5 arată o formă U totală sub forma spectrului d I/d U cu o valoare de conductivitate aproape dispare la nivelul Fermi (EF) și un decalaj de energie Δ = 2,5 meV, definit la jumătate din distanța dintre cele două vârfuri ascuțite de coerență în FIG. 2a. Această valoare măsurată a decalajului este aceeași cu dimensiunea măsurată pe suprafața materialului vrac supraconductor corespunzător 23. Pentru a determina temperatura critică Tc a filmelor noastre FeTe 0,5 Se 0,5, am efectuat măsurători dI/d U dependente de temperatură de la 1,1 la 11 K (vezi Fig. 2b). Așa cum era de așteptat, decalajul de energie observat vd I/d U scade odată cu creșterea temperaturii și în cele din urmă dispare la 11 K. Valorile decalajului de energie pentru diferite temperaturi (prezentate în Fig. 2c) au fost extrase din capturile corectate în fundal și simetrizate d Spectre I/d U (pentru prelucrarea datelor vezi Figura 3 suplimentară) folosind densitatea stării Dynes,

, cu densitatea stărilor în starea normală la energia Fermi N n (E F) și partea reală, unde parametrul Γ este responsabil pentru extinderea duratei de viață a cvasiparticulelor 24. Construcția dependenței de temperatură a decalajului în cadrul teoriei Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) 25 oferă un decalaj de energie la 0 K Δ 0 = 2,0 meV și extras T c = 11 K, similar cu valorile extrase din STS pe materialele supraconductoare corespunzătoare 23, 26. Dependența de temperatură a spectrelor dI/d U, precum și valoarea derivată a Tc oferă dovezi puternice că decalajul observat apare din superconductivitate în filmul ultra-subțire FeTe 0,5 Se 0,5 crescut pe Bi2 Te 1,8 Se 1,2 .

Imagine la dimensiune completă

Variația spațială a corelației supraconductoare

După stabilirea dovezilor clare pentru corelații supraconductoare în straturi individuale de FeTe UC crescute pe Bi2 Te3 sub 6 K, ne concentrăm acum mai detaliat asupra comportamentului spațial al acestor corelații la interfața laterală a stratului FeTe și a substratului Bi2 Te3. FeTe la substratul Bi2 Te3 (Fig. 3a, b). Spectrele tunelului rezultate de-a lungul interfeței de-a lungul liniei prezentate în FIG. 3a obținute la T = 1, 1 K (Fig. 3c) arată din nou prezența unui decalaj datorat corelațiilor supraconductoare în partea superioară a stratului FeTe, care dispare pe substratul TI. Funcția de descompunere exponențială (Fig. 3d), conducând la o lungime de descompunere de aproximativ ξ = 8, 9 Å la T = 1, 1. K. Această lungime de descompunere este o măsură a lungimii de coerență a lui Cooper 31, 32 de perechi, care este aparent la fel de mică, cum ar fi în vrac FeTe 0.6 Se 0.4.4 (ref. 26).

A ) Topografie STM (25 nm × 25 nm) care prezintă o terasă Bi2 Te3 și un strat subțire încorporat de FeTe realizat din UC (U = 100 mV, I s = 50 pA). b ) Topografie asemănătoare STM rezolvată atomic (U = 50 mV, I s = 50 pA, diferențiată în raport cu axa orizontală, coloană de scară albă, lată de 3 nm). ( c ) Reprezentarea bidimensională și tridimensională a spectrelor normalizate și simetrice d/d U care trec printr-un pas de-a lungul liniei marcate în A în direcția săgeții. ( d ) Evoluția decalajului (markeri) determinată din spectrele din c, prin măsurarea zonei închise de decalaj în cadrul unei tensiuni de ± 1 meV de tensiune. Linia continuă arată adaptarea la descompunerea exponențială, ceea ce duce la lungimea descompunerii ξ = 8, 9 Á. e ) Înălțimea topografică luată de-a lungul aceleiași linii ca și cea utilizată pentru datele în litere c, d .

Imagine la dimensiune completă

Proprietăți magnetice folosind SP-STM

Rezultatele noastre privind straturile FeTe crescute epitaxial pe Bi2 Te3 confirmă faptul că superconductivitatea bidimensională menționată anterior în heterostructuri FeTe/Bi2 Te3 14, 15 este asociată cu prezența unui strat FeTe supraconductor situat la interfață. Revenim acum la întrebarea centrală dacă ordinea obișnuită AFM bi-coliniară a FeTe în vrac (ref. 16) este suprimată la interfața FeTe a stratului Bi2 Te3, așa cum sugerează He și colab. 14 sau dacă poate coexista cu corelațiile supraconductoare pe care le-am observat.

Imagine la dimensiune completă

( A - c ) Imagini SP-STM (U = 100 mV și I s = 100 pA, bare de scară albă, lățime de 3 nm, scară de culoare de la 0 la 31 μm înălțime aparentă) și ( d - f ) date FFT corespunzătoare (dimensiunea figurii 0,75 Å −1) obținute la B = 0,5 T folosind în afara senzorului Cr sensibil la plan, la temperaturi diferite, așa cum este indicat în A - c . Poziția suprafeței este aceeași în toate cele trei seturi de date SP-STM. Structura de centrifugare este robustă, iar intensitatea contrastului magnetic este aproape aceeași la toate cele trei temperaturi. ( g ) Dependența de temperatură a golurilor de energie Δ este reprezentată grafic împreună cu contrastul magnetic cuantificat de raportul intensităților punctelor FFT la q AFM a q Te și din imagini SP-STM v d - f și imagini similare luate la alte temperaturi. Erorile din Δ indică intervalul maxim de valori utilizate în testul Dynes, ducând la un acord acceptabil cu spectrele experimentale. Erorile în contrast magnetic indică abaterea medie, care este estimată din două seturi de date.

Imagine la dimensiune completă

discuţie

În cele din urmă, observăm că scurgerea decalajului în substratul TI prin interfața FeTe - Bi 2 Te3 (Fig. 3c) indică prezența corelațiilor supraconductoare în materialul TI lângă interfață. Claritatea atomică a acestei interfețe sugerează că starea suprafeței topologice a substratului TI rămâne intactă, așa cum s-a demonstrat recent în experimentele de fotoemisiune în cazul heterostructurii FeSe - Bi2 Se3 41. Interfața FeTe-Bi 2 Te 3 oferă, prin urmare, o platformă ideală pentru studierea fizicii interesante a fermionilor Dirac care sunt în contact cu perechile Cooper.

metode

probe

Cristalele TI în vrac Bi2 Te3 și Bi2 Te 1.8 Se 1, 2 utilizate în acest studiu ca substraturi au fost sintetizate folosind metoda Stockbarger și au fost bine caracterizate folosind spectroscopie de fotoemisiune prin rezonanță unghiulară, difracție cu raze X în pulbere, atom de plasmă cuplat inductiv. -spectroscopia emisiunii și măsurători microscopice potențiale Seebeck 21, 42. Pentru toate substraturile, punctul Dirac este situat energetic sub nivelul Fermi, indicând n dopaj. Pregătirea și caracterizarea peliculei de Fe-calcogenură a fost efectuată într-un sistem UHV cu o presiune de bază mai mică de 1 x 10 - 10 mbar. Cristalele TI au fost clivate in situ în condiții UHV și au fost preparate pelicule subțiri de înaltă calitate FeTe 1− x Se x (x = 0, 0,5) prin depunerea a 0,5-1 ML Fe la 300 K pe partea de sus a Bi 2 Te 3 și Bi 2 Te 1,8 Se 1,2 substraturi, respectiv, folosind epitaxi cu fascicul molecular, urmate de recoacere până la o temperatură maximă de 315 ° C timp de 15 min. Fe depus pe Bi 2 Te 3 reacționează cu substratul la recoacere, cel mai probabil printr-un proces de substituție a Bi prin Fe (ref. 43), ducând la un film FeTe fără defecte de înaltă calitate.

Tehnici experimentale

Toate experimentele STM/STS au fost efectuate cu un STM în UHV la temperaturi cuprinse între 1,1 și 14 K (ref. 24). Un câmp magnetic B de până la 3 T poate fi aplicat perpendicular pe suprafața probei. Imaginile de topografie au fost obținute în modul de curent constant cu curent de stabilizare I s și tensiune de polarizare U aplicată probei. Datele STS au fost obținute folosind o tehnică de blocare pentru a înregistra conductanța diferențială a tunelului d I/d U prin adăugarea unei tensiuni de modulație AC U mod (dată în rms) la tensiunea de polarizare, după stabilizarea vârfului la I s și U, comutarea dezactivați feedback-ul și creșteți polarizarea aplicată U. Am folosit vârfuri PtIr tăiate sau cu vârfuri W gravate electrochimic (ambele au fost intermitente in situ) pentru măsurarea imaginii și a spectroscopiei mediată prin spin. Pentru măsurători rezolvate prin rotire, am folosit vârfuri Cr în vrac, care au fost preparate prin gravare electrochimică urmată de un tratament de emisie de câmp de înaltă tensiune folosind W (110) sau Ta (001) ca substrat.

$ config [ads_text16] nu a fost găsit

Disponibilitatea datelor

Autorii afirmă că principalele date care susțin concluziile acestui studiu sunt disponibile în articol și în fișierele sale de informații suplimentare. Informații suplimentare sunt disponibile de la autorul relevant la cerere.

Informatii suplimentare

Fișiere PDF

Informatii suplimentare

Figurile suplimentare 1-9 și referințele suplimentare

Comentarii

Prin trimiterea unui comentariu, sunteți de acord să respectați Termenii și condițiile și Regulile comunității. Dacă considerați că acesta este un act ofensator care nu este conform cu termenii sau liniile directoare, vă rugăm să îl marcați ca fiind inadecvat.