предметів

реферат

Відкриття високотемпературної надпровідності у сполуках на основі Fe викликало численні дослідження взаємодії між надпровідністю та магнетизмом та підвищення перехідних температур за рахунок ефектів інтерфейсу. Загальноприйнято вважати, що розвиток оптимальної надпровідності тісно пов'язаний із придушенням радіохвильового порядку на великі відстані (AFM), хоча точне мікроскопічне зображення залишається незрозумілим через відсутність атомно-розв'язаних даних. Тут ми представляємо спін-поляризовану скануючу тунельну спектроскопію ультратонких плівок FeTe 1- x Se x (x = 0, 5) на об'ємних топологічних ізоляторах. Дивно, але ми виявили енергетичний розрив на рівні Фермі, що вказує на надпровідні кореляції до Tc ∼ 6 K для однієї елементарної комірки FeTe, вирощеної на Bi2 Te3, на відміну від ненадпровідної маси FeTe. Розрив просторово збігається з біколінеарним порядком АСМ. Ця знахідка відкриває перспективи для теоретичних досліджень конкуруючих серій у надпровідниках на основі Fe та для експериментальних досліджень екзотичних фаз у надпровідних шарах на топологічних ізоляторах.

Топологічні ізолятори (TI) та міжфазні надпровідники (SC) є предметом великого поточного інтересу до сучасної фізики конденсованих речовин 1, 2. Очікується, що поєднання обох матеріалів відкриє нову фізику, таку як ферміони майорани, які трапляються в гетероструктурах хвильових хвиль TI та SC за рахунок включення магнітних полів 3. Більшість експериментальних досліджень таких гетероструктур було зосереджено на плівках ТІ, вирощених на надпровідних об'ємних підкладках 4. В якості альтернативи гетероструктури SC/TI можуть бути реалізовані шляхом вирощування надпровідних плівок поверх інтактних об'ємних TI.

За допомогою низькотемпературної спінополяризованої скануючої тунельної спектроскопії (SP-STS) ми досліджуємо кореляцію між структурою плівки, локальними електронними, надпровідними та спінозалежними властивостями. на рівні Фермі в UC тонкі плівки FeTe, епітаксиально вирощені на Bi2 Te3 (111), можуть просторово співіснувати в атомному масштабі з двовимірним порядком AFM на великі відстані.

результат

Структурні властивості тонких плівок FeTe 1− x Se x

моношарі

Повнорозмірне зображення

Хоча це дослідження зосереджено на одному шарі FeTe на Bi2 Te3 (111), ультратонкі плівки FeTe 1− x Se x (x = 0,5), вирощені на потрійному TI Bi 2 Te 1, 8 Se 1, 2 (111), служать важливим посиланням система 20. У відповідній об'ємній системі FeTe біколінеарний АСМ показує порядок величини, тоді як надпровідність може бути індукована і суттєво збільшена до 15 К за часткової заміни Se на Te при x = 0,5 (посилання 12). Тому особливо цікаво дослідити, як надпровідний стан розвивається з магнітно впорядкованого стану із заміщенням Se у системі тонких плівок, яку ми вивчали тут.

Високоякісні тонкі UC-тонкі плівки FeTe 0,5 Se 0,5 (додатковий малюнок 2) з чітко визначеною стехіометрією вирощувались епітаксіально на підкладках Bi2 Te 1, 8 Se 1,2 (111), використовуючи подібний спосіб приготування, як плівки FeTe. Топографічні STM-зображення розрізаної поверхні підкладки Bi 2 Te 1.8 Se 1.2 (рис. 1g) демонструють атоми Se і Te у верхньому шарі поверхні, які трохи темніші відповідно. стехіометрія 21. Типове топографічне STM зображення однієї UC тонкої плівки FeTe 0,5 Se 0,5, що росте зверху (рис. 1h), показує впорядковану квадратну сітку атомів Se/Te з приблизно половиною атомів, що виглядають яскравішими (52%, місця Te), до цього часу інша половина виглядає темнішою (48%, плями Se), з різницею висот 65 ± 15 вечора, близькою до значень, знайдених для аналогічно легованих зразків FeTe 1− x Se x 12, 22 .

Характеристика надпровідних властивостей

Для характеристики електронної структури цих плівок проводили вимірювання STS тунельної диференціальної провідності (d I/d U) як функцію прикладеної напруги зміщення, що відображає локальну щільність зразків. На рис. 2а показані окремі тунельні спектри, виміряні на одній UC тонкій плівці FeTe 0, 5 Se 0, 5 та на підкладці Bi2 Te 1, 8 Se 1, 2 при температурі T = 1, 1 K. Плівка FeTe 0,5 Se 0, 5 показує загальну U-форму у вигляді d I/d U-спектру з майже зникаючим значенням провідності на рівні Фермі (EF) та енергетичним зазором Δ = 2,5 меВ, що визначається половиною відстані між двома різкими піками узгодженості на фіг. 2а. Це виміряне значення зазору таке саме, як розмір, виміряний на поверхні відповідного надпровідного сипучого матеріалу 23. Щоб визначити критичну температуру Tc наших плівок FeTe 0,5 Se 0,5, ми провели вимірювання dI/d U в залежності від температури від 1,1 до 11 K (див. Рис. 2b). Як і очікувалось, спостережуваний енергетичний зазор vd I/d U зменшується із збільшенням температури і з часом зникає при 11 К. Значення енергетичного зазору для різних температур (показано на рис. 2в) були витягнуті з коригованих фоном захоплень та симетризовані Спектри I/d U (для обробки даних див. Додаткову рисунок 3) з використанням щільності стану Dynes,

, з щільністю станів у нормальному стані при енергії Фермі N n (E F) та дійсній частині, де параметр Γ відповідає за продовження часу життя квазічастинок 24. Побудова залежності температури зазору в рамках теорії 25 Бардіна-Купера-Шріффера (BCS) забезпечує енергетичний зазор при 0 K Δ 0 = 2,0 меВ і витягнутому T c = 11 K, подібному до значень, отриманих з STS на відповідних надпровідних сипучих матеріалах 23, 26. Температурна залежність спектрів dI/d U, а також отримане значення Tc дають вагомі докази того, що спостережувана щілина виникає внаслідок надпровідності в надтонкій плівці FeTe 0,5 Se 0,5, вирощеній на Bi2 Te 1,8 Se 1,2 .

Повнорозмірне зображення

Просторова варіація надпровідної кореляції

Після встановлення чітких доказів надпровідних кореляцій в окремих шарах UC FeTe, вирощених на Bi2 Te3 нижче 6 K, ми тепер детальніше зупинимося на просторовій поведінці цих кореляцій на бічній межі шару FeTe та підкладки Bi2 Te3. Зокрема, ми виміряли просторові варіації тунельних спектрів через вкладений шар UC FeTe до підкладки Bi2 Te3 (рис. 3а, б). Отримані тунельні спектри через межу розділу уздовж лінії, показаної на фіг. 3а, отримані при Т = 1,1 К (рис. 3в), знову показують наявність зазору через надпровідні кореляції у верхній частині шару FeTe, що зникають на підкладці ТІ. Для кількісної оцінки довжини розпаду надпровідних кореляцій у нашій гетероструктурній системі, ми використовували експоненціальну функцію розпаду (рис. 3d), що призводить до довжини затухання близько ξ = 8, 9 Å при T = 1, 1. К. Ця довжина затухання є мірою довжини когерентності купера 31, 32 пари, який, мабуть, однаково малий, наприклад, масовим вмістом FeTe 0,6 Se 0,4,4 (посилання 26).

a ) STM-топографія (25 нм × 25 нм), що показує терасу Bi2 Te3 і вбудований тонкий шар FeTe з UC (U = 100 мВ, I s = 50 пА). b ) Топографія, подібна до атома, як STM (U = 50 мВ, I s = 50 пА, диференційована щодо горизонтальної осі, колонка білого масштабу, ширина 3 нм). ( c ) Дво- і тривимірне представлення нормованих та симетричних d/d U-спектрів, що проходять через щабель уздовж лінії, позначеної в a у напрямку стрілки. ( d ) Еволюція щілини (маркери), визначена за спектрами в c, вимірюванням площі, закритої зазором, в межах напруги ± 1 меВ напруги. Суцільна лінія показує пристосування до експоненціального занепаду, що призводить до довжини затухання ξ = 8, 9 Á. e ) Топографічна висота, взята вздовж тієї самої лінії, що і для даних у листах c, d .

Повнорозмірне зображення

Магнітні властивості за допомогою SP-STM

Наші результати на епітаксіально вирощених шарах FeTe на Bi2 Te3 підтверджують, що згадана раніше двовимірна надпровідність у гетероструктурах FeTe/Bi2 Te3 14, 15 пов'язана з наявністю надпровідного шару FeTe, розташованого на межі розділу. Тепер ми повернемося до центрального питання про те, чи пригнічується звичайний біколінеарний порядок АСМ об'ємного FeTe (посилання 16) на інтерфейсі FeTe шару Bi2 Te3, як пропонували He et al. 14, або чи може він співіснувати із надпровідними кореляціями, які ми спостерігали.

Повнорозмірне зображення

( a - c ) Зображення SP-STM (U = 100 мВ та I s = 100 пА, смуги білої шкали, ширина 3 нм, кольорова шкала від видимої висоти від 0 до 31 мкм) та ( d - f ) відповідні дані ШПФ (розмір фігури 0,75 Å -1), отримані при В = 0,5 Т за допомогою зовнішнього датчика Cr, чутливого до площини, при різних температурах, як зазначено в a - c . Положення поверхні однакове у всіх трьох наборах даних SP-STM. Спінова структура міцна, а інтенсивність магнітного контрасту майже однакова при всіх трьох температурах. ( g ) Температурна залежність енергетичних зазорів Δ побудована разом з магнітним контрастом, кількісно визначеним відношенням інтенсивності точок ШПФ при q AFM a q Te та із зображень SP-STM v d - f та подібні зображення, зроблені при інших температурах. Похибки Δ вказують на максимальний діапазон значень, що використовуються в тесті Дайнеса, що призводить до прийнятної згоди з експериментальними спектрами. Помилки в магнітному контрасті вказують на середнє відхилення, яке оцінюється за двома наборами даних.

Повнорозмірне зображення

обговорення

Нарешті, зауважимо, що витік зазору в підкладку ТІ через інтерфейс FeTe - Bi 2 Te3 (рис. 3в) вказує на наявність надпровідних кореляцій у матеріалі ТІ поблизу межі розділу. Атомна чіткість цього інтерфейсу свідчить про те, що топологічний стан поверхні підкладки TI залишається незмінним, як нещодавно було показано в експериментах з фотоемісією у випадку гетероструктури FeSe - Bi2 Se3 41. Таким чином, інтерфейс FeTe-Bi 2 Te 3 забезпечує ідеальну платформу для вивчення цікавої фізики ферміонів Дірака в контакті з парами Купера.

методи

зразки

Об'ємні монокристали TI Bi2 Te3 та Bi2 Te 1.8 Se 1, 2, що використовувались як підкладки в цьому дослідженні, були синтезовані методом Стокбаргера та добре охарактеризовані за допомогою кутово-резонансної фотоемісійної спектроскопії, дифракції рентгенівських променів у порошку, атома плазми з індуктивною зв'язкою. -випромінювальна спектроскопія та потенційні мікроскопічні вимірювання Зеебека 21, 42. Для всіх субстратів точка Дірака знаходиться енергетично нижче рівня Фермі, що вказує на n легування. Підготовку та характеристику Fe-халькогенідної плівки проводили в системі UHV з базовим тиском менше 1 х 10 - 10 мбар. Кристали TI розщеплювались in situ в умовах UHV і готували високоякісні тонкі плівки FeTe 1− x Se x (x = 0, 0,5) шляхом осадження 0,5–1 ML Fe при 300 K поверх Bi 2 Te 3 та Підкладки Bi 2 Te 1,8 Se 1,2, відповідно, з використанням молекулярно-променевої епітаксії з подальшим відпалом до максимальної температури 315 ° C протягом 15 хв. Fe, осаджений на Bi 2 Te 3, реагує з підкладкою при відпалі, найімовірніше, шляхом процесу заміщення Bi на Fe (посилання 43), що призводить до високоякісної бездефектної плівки FeTe.

Експериментальні прийоми

Усі експерименти STM/STS проводили зі STM в UHV при температурах від 1,1 до 14 K (посилання 24). Магнітне поле B до 3 Тл можна прикласти перпендикулярно до поверхні зразка. Зображення топографії отримували в режимі постійного струму зі струмом стабілізації I s та напругою зміщення U, прикладеною до зразка. Дані STS були отримані з використанням методу блокування для реєстрації диференціальної тунельної провідності d I/d U шляхом додавання напруги модуляції змінного струму U mod (заданого в середньоквадратичних значеннях) до напруги зміщення після стабілізації наконечника при I s та U, перемикання від зворотного зв'язку та посилення застосованого зміщення U. Ми використовували вирізані PtIr або електрохімічно витравлені W наконечники (обидва спалахи in situ) для вимірювань середнього обертання та спектроскопії. Для вимірювань з роздільною здатністю спіну ми використовували об'ємні наконечники Cr, які готували електрохімічним травленням з подальшою обробкою високовольтним полем з використанням W (110) або Ta (001) як підкладки.

$ config [ads_text16] не знайдено

Наявність даних

Автори заявляють, що основні дані, що підтверджують результати цього дослідження, доступні у статті та додаткових інформаційних файлах. Додаткову інформацію можна отримати у відповідного автора на запит.

Додаткова інформація

Файли PDF

Додаткова інформація

Додаткові рисунки 1-9 та додаткові посилання

Коментарі

Надсилаючи коментар, ви погоджуєтесь дотримуватися наших Загальних положень та умов та Правил спільноти. Якщо ви вважаєте, що це образливий вчинок, який не відповідає нашим умовам чи інструкціям, повідомте про це як про недоречний.