elemeket

absztrakt

A magas hőmérsékletű szupravezetés felfedezése Fe-alapú vegyületekben számos vizsgálatot indított el a szupravezetés és a mágnesesség közötti kölcsönhatás, valamint az átmeneti hőmérséklet emelkedése az interfészhatások révén. Általában úgy gondolják, hogy az optimális szupravezetés alakulása szorosan összefügg a nagy hatótávolságú rádiórendszer-elnyomással (AFM), bár a pontos mikroszkopikus kép továbbra is érthetetlen az atomilag feloldott adatok hiánya miatt. Itt bemutatjuk ultravékony FeTe 1- x Se x filmek (x = 0, 5) spin-polarizált pásztázó alagút spektroszkópiáját térfogati topológiai szigetelőkön. Meglepő módon egy energiahiányt találtunk a Fermi-szinten, jelezve a Tc ∼ 6 K-ig terjedő szupravezető összefüggéseket a Bi2 Te3-on növesztett egy egység sejt FeTe-vel szemben, szemben a nem szupravezető ömlesztett FeTe-vel. A rés térben egybeesik a bi-collinear AFM sorrenddel. Ez a megállapítás perspektívákat nyit a Fe-alapú szupravezetőkben versenyző sorozatok elméleti tanulmányaihoz, valamint a szupravezető rétegekben lévő egzotikus fázisok kísérleti kutatásához topológiai szigetelőkön.

A topológiai szigetelők (TI) és az interfázisú szupravezetők (SC) napjainkban intenzív érdeklődésnek örvendenek a modern 1, 2 kondenzált anyag fizikában. Mindkét anyag kombinációja várhatóan olyan új fizikát tár fel, mint például a Majorana Fermions, amelyek a TI és SC s-hullámú heteroszerkezetekben fordulnak elő a mágneses mezők bevonásával 3. Az ilyen heteroszerkezetek legtöbb kísérleti vizsgálata a szupravezető ömlesztett hordozókon termesztett TI filmekre összpontosított 4. Alternatív megoldásként az SC/TI heteroszerkezeteket úgy lehet megvalósítani, hogy szupravezető filmeket növesztünk az ép volumetrikus TI-k tetejére.

Alacsony hőmérsékletű, spin-polarizált pásztázó alagút-spektroszkópia (SP-STS) segítségével megvizsgáljuk a filmszerkezet, a lokális elektronikai, a szupravezető és a spin-függő tulajdonságok összefüggését. Fermi szinten az UC-ben a Bi2 Te3-on epitaxiásan termesztett vékony FeTe filmek térben atom távolságban, kétdimenziós AFM sorrenddel is együtt élhetnek, nagy távolságokra.

az eredmény

A FeTe vékony filmek szerkezeti tulajdonságai 1− x Se x

elrendezésű

Teljes méretű kép

Bár ez a tanulmány a Bi2 Te3 (111) egyetlen FeTe rétegére összpontosít, a háromkomponensű TI Bi 2 Te 1, 8 Se 1, 2 (111) tenyésztésű ultravékony FeTe 1− x Se x (x = 0,5) filmek fontos referenciaként szolgálnak 20. rendszer A megfelelő ömlesztett FeTe rendszerben a bi-lineáris AFM nagyságrendet mutat, míg a szupravezetés indukálható és lényegesen növelhető 15 K-ig, Se részleges Se-szubsztitúcióval Te-hez x = 0,5-nél (12. hivatkozás). Ezért különösen érdekes megvizsgálni, hogy a szupravezető állapot hogyan fejlődik mágnesesen rendezett állapotból Se-szubsztitúcióval az itt vizsgált vékonyréteg-rendszerben.

Kiváló minőségű, vékony UC vékony FeTe 0.5 Se 0.5 filmeket (2. ábra), jól definiált sztöchiometriával, epitaxiásan növesztettünk Bi2 Te 1, 8 Se 1.2 (111) szubsztrátokon, hasonló előállítási módszerrel, mint a FeTe filmek. A Bi 2 Te 1.8 Se 1.2 szubsztrátum hasított felületének atomfelbontású topográfiai STM képei (1g. Ábra) a Se és a Te atomokat mutatják a felület legfelső rétegében, amelyek kissé sötétebbek. sztöchiometria 21. Az egyik UC vékony FeTe 0.5 Se 0.5 film tetején növekvő tipikus topográfiai STM képe (1h ábra) a Se/Te atomok rendezett négyzetrácsát mutatja, az atomok körülbelül fele világosabbnak tűnik (52%, Te helyek), eddig másik fele sötétebbnek tűnik (48%, Se foltok), 65 ± 15 pm magasságkülönbséggel, közel a hasonlóan adalékolt FeTe minták 1− x Se x 12, 22 értékéhez .

A szupravezető tulajdonságok jellemzése

E filmek elektronikus szerkezetének jellemzésére az alagút differenciál vezetőképességének (d I/d U) STS méréseit az alkalmazott előfeszültség függvényében végeztük el, tükrözve a minták helyi sűrűségét. A 2a. Ábra az UC vékony FeTe 0, 5 Se 0, 5 fólián és a Bi2 Te 1, 8 Se 1, 2 hordozón mért egyedi alagút spektrumokat mutatja T = 1, 1 K. hőmérsékleten. FeTe film 0,5 Se A 0, 5 egy teljes U alakot mutat d I/d U spektrum formájában, szinte eltűnő vezetőképességi értékkel a Fermi (EF) szintjén és Δ = 2,5 meV energiahézaggal, amelyet a két éles távolság fele határoz meg ábrán látható koherencia csúcsai 2a. A rés ezen mért értéke megegyezik a megfelelő szupravezető ömlesztett anyag felületén mért mérettel 23. A FeTe 0.5 Se 0.5 filmjeink kritikus hőmérsékletének Tc meghatározásához 1,1 és 11 K közötti hőmérsékletfüggő dI/d U méréseket hajtottunk végre (lásd 2b. Ábra). Ahogy az várható volt, a megfigyelt vd I/d U energiahézag a hőmérséklet növekedésével csökken, és végül 11 K-nál eltűnik. A különböző hőmérsékletekre vonatkozó energiahézag-értékeket (a 2c. Ábrán mutatjuk be) kivontuk a háttérrel korrigált felvételekből és szimmetrizáltuk d I/d U spektrumok (az adatfeldolgozáshoz lásd a 3. kiegészítő ábrát) Dynes állapotsűrűség alkalmazásával,

, az állapotok sűrűségével normál állapotban a Fermi energiánál N n (E F) és a valós résznél, ahol a Γ paraméter felelős a kvázirészecskék élettartamának meghosszabbításáért 24. A réshőmérséklet-függőség felépítése a Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) elméleten belül 25 energiarést biztosít 0 K Δ 0 = 2,0 meV értéken és kivonva T c = 11 K, hasonlóan az STS-ből kivont értékekhez a megfelelő szupravezető ömlesztett anyagokon 23, 26. A dI/d U spektrumok hőmérsékletfüggése, valamint a Tc származtatott értéke erős bizonyítékot szolgáltat arra vonatkozóan, hogy a megfigyelt rés szupravezetésből adódik Bi2 Te 1,8 Se 1,2-en növesztett ultravékony FeTe 0,5 Se 0,5 filmben .

Teljes méretű kép

A szupravezető korreláció térbeli variációja

Miután egyértelmű bizonyítékot találtunk a Bi2 Te3-on 6 K alatt termesztett egyes UC FeTe rétegek szupravezető korrelációira, most részletesebben ezeknek a korrelációknak a térbeli viselkedésére összpontosítunk a FeTe réteg és a Bi2 Te3 szubsztrát oldalsó határfelületén. az alagút spektrumainak térbeli variációi az UC FeTe közbenső rétegétől a Bi2 Te3 szubsztrátumig (3a., b. ábra). A kapott alagút spektrumok az interfészen át a 2. ábrán bemutatott vonal mentén. A T = 1 értéknél kapott 3a, 1 K (3c. Ábra) ismét a FeTe réteg tetején lévő szupravezető összefüggések miatti rés jelenlétét mutatja, amely eltűnik a TI szubsztráton. Az s rés térbeli függését a számszerűsítse a heteroszerkezeti rendszerünkben a szupravezető korrelációk bomlási hosszát. exponenciális bomlási függvény (3d. ábra), amelynek eredménye a T = 1, 1 K. kb. ξ = 8, 9 Å bomlási hossza. Ez a bomlási hossz a a Cooper 31, 32 pár koherenciahossza, amely látszólag ugyanolyan kicsi, mint ömlesztve FeTe 0,6 Se 0,4,4 (26. hivatkozás).

a ) STM topográfia (25 nm × 25 nm), amely egy Bi2 Te3 teraszt és egy beágyazott vékony FeTe réteget mutat UC-ből (U = 100 mV, I s = 50 pA). b ) Atomilag feloldott STM-szerű topográfia (U = 50 mV, I s = 50 pA, a vízszintes tengelyhez képest differenciálva, fehér skála oszlop, 3 nm széles). ( c ) A normalizált és szimmetrikus d/d U spektrumok két- és háromdimenziós ábrázolása, amely áthalad a a a nyíl irányába. ( d ) A spektrum alapján meghatározott rés (markerek) alakulása c, a rés által lezárt terület mérésével ± 1 meV feszültségen belül. A folytonos vonal az exponenciális bomláshoz való alkalmazkodást mutatja, amely a bomlási hosszhoz vezet ξ = 8, 9 Á. e ) A topográfiai magasság ugyanazon a vonalon vettük, mint amelyet a betűkben szereplő adatokhoz használtunk c, d .

Teljes méretű kép

Mágneses tulajdonságok az SP-STM segítségével

Eredményeink a Bi2 Te3-on epitaxiálisan növesztett FeTe-rétegeken megerősítik, hogy a fent említett kétdimenziós szupravezetés a FeTe/Bi2 Te3 14, 15 heteroszerkezetekben összefüggésben van a határfelületen elhelyezkedő szupravezető FeTe-réteg jelenlétével. Most visszatérünk arra a központi kérdésre, hogy vajon az ömlesztett FeTe szokásos bi-kollináris AFM-sorrendjét (16. hivatkozás) elnyomják-e a Bi2 Te3 réteg FeTe-felületén, He és munkatársai javaslatára. 14, vagy létezhet-e együtt az általunk megfigyelt szupravezető összefüggésekkel.

Teljes méretű kép

( a - c ) SP-STM képek (U = 100 mV és I s = 100 pA, fehér skála sávok, 3 nm széles, színskála 0 és 31 μm közötti látszólagos magasság) és ( d - f ) megfelelő FFT-adatok (0,75 Å −1 ábraméret), amelyeket B = 0,5 T hőmérsékleten kapunk, a Cr-érzékelő síkra érzékeny külső felületén, különböző hőmérsékleteken, az a - c . A felület helyzete mindhárom SP-STM adatkészletben azonos. A spin szerkezet robusztus és a mágneses kontraszt intenzitása mindhárom hőmérsékleten majdnem azonos. ( g ) Az Δ energiahézagok hőmérsékletfüggését ábrázoljuk a mágneses kontrasztdal együtt, amelyet az FFT pontok intenzitásának aránya határoz meg q AFM a q Te és az SP-STM v képekből d - f és a hasonló képek más hőmérsékleten készültek. A Δ hibák a Dynes-tesztben használt maximális értéktartományt jelzik, ami elfogadható egyezést eredményez a kísérleti spektrummal. A mágneses kontraszt hibái jelzik az átlagos eltérést, amelyet két adatsor alapján becsülünk meg.

Teljes méretű kép

vita

Végül megjegyezzük, hogy a rés szivárgása a TI szubsztrátumba a FeTe - Bi 2 Te3 interfészen keresztül (3c. Ábra) szupravezető korrelációk jelenlétét jelzi az interfész közelében lévő TI anyagban. Ennek az interfésznek az atomélessége arra enged következtetni, hogy a TI szubsztrát topológiai felületi állapota érintetlen marad, amint azt a közelmúltban fotoemissziós kísérletek mutatták ki a FeSe - Bi2 Se3 heteroszerkezet esetében 41. A FeTe-Bi 2 Te 3 interfész tehát ideális platformot kínál a Cooper-párokkal érintkező Dirac-fermionok érdekes fizikájának tanulmányozásához.

mód

minták

Az ebben a vizsgálatban szubsztrátként használt tömeges TI egykristályokat, a Bi2 Te3 és a Bi2 Te 1,8 Se 1, 2 szintézisét Stockbarger módszerrel végeztük, és szögrezonancia fotoemissziós spektroszkópia, por röntgendiffrakció, induktívan kapcsolt plazmaatom felhasználásával jól jellemeztük. -spektroszkópia és potenciális Seebeck-mikroszkópos mérések 21, 42. Valamennyi szubsztrát esetében a Dirac-pont energikusan a Fermi-szint alatt helyezkedik el, ami n doppingolásra utal. Az Fe-kalkogenid film előkészítését és jellemzését UHV rendszerben végeztük, amelynek alapnyomása 1 x 10-10 mbar alatt volt. A TI kristályokat in situ hasítottuk UHV körülmények között, és kiváló minőségű FeTe 1− x Se x (x = 0, 0,5) vékonyrétegeket készítettünk úgy, hogy 0,5–1 ml Fe-t 300 K-on levittünk a Bi 2 Te 3 tetejére. Bi 2 Te 1,8 Se 1.2 szubsztrátok, molekuláris nyaláb-epitaxiát alkalmazva, majd 15 percig 315 ° C-os maximális hőmérsékletig izzítással. A Bi 2 Te 3-on lerakódott Fe az izzításkor reagál a szubsztráttal, valószínűleg a Bi Fe általi szubsztitúciós folyamatával (43. hivatkozás), ami kiváló minőségű hibamentes FeTe-filmet eredményez.

Kísérleti technikák

Az összes STM/STS kísérletet STM-mel végeztük UHV-ben 1,1 és 14 K közötti hőmérsékleten (24. hivatkozás). A minta felületére merőlegesen legfeljebb 3 T méretű B mágneses mező alkalmazható. A topográfiai képeket állandó áramú üzemmódban állítottuk elő, I stabilizációs árammal és U mint előfeszültséggel. Az STS-adatokat lock-in technikával nyertük, hogy rögzítsük a d I/d U alagút differenciál vezetőképességét úgy, hogy az U mod (feszültségértékben megadott) modulációs feszültséget hozzáadjuk az előfeszítő feszültséghez, miután a csúcsot stabilizálták I s és U értéken, kapcsolás ki a visszacsatolást és az alkalmazott elfogultság U. A spin-átlagolt képalkotáshoz és a spektroszkópia méréséhez vágott PtIr vagy elektrokémiailag maratott W tippeket használtunk (mind in situ villogva). A spin-felbontású mérésekhez tömeges Cr tippeket használtunk, amelyeket elektrokémiai maratással készítettünk, majd nagyfeszültségű terepi emissziós kezelést alkalmaztunk W (110) vagy Ta (001) hordozóval.

A $ config [ads_text16] nem található

Az adatok elérhetősége

A szerzők kijelentik, hogy a tanulmány eredményeit alátámasztó fő adatok a cikkben és annak kiegészítő információs állományaiban találhatók. További információk kérésre az érintett szerzőtől kaphatók.

További információ

PDF fájlok

További információ

Kiegészítő 1–9. Ábra és kiegészítő hivatkozások

Hozzászólások

Megjegyzés beküldésével vállalja, hogy betartja Általános Szerződési Feltételeinket és közösségi irányelveinket. Ha ezt sértő cselekedetnek találja, amely nem felel meg feltételeinknek vagy irányelveinknek, kérjük, jelölje meg nem megfelelőnek.