瞬态吸收光谱助力研究人员探测到SrTiO3衬底上生长的单层 FeSe 薄膜的界面电子-声子耦合的直接证据

图1. 单层FeSe/SrTiO3薄膜中相干声子色散对准粒子动力学的调制。(a) 超快泵浦-探测原理图。(b) 15FeTe/1FeSe/NSTO的反射光相对变化ΔR/R作为延迟时间Δt和探测光能量的二维等高线图。测试温度为4.2 K，泵浦光波长为1100 nm，泵浦光能量密度为2.86 mJ/cm2，(c),(d) 从图(b)中提取出的探测光能量为1.7 eV时的准粒子动力学，时间窗口分别为−3–200 ps (c)和−0.6–3 ps (d)。底部图：扣除电子弛豫动力学后，得到的相干声子振荡。插图：快速傅里叶变换FFT。(e),(f) 与(b)对应的二维 FFT结果。时间窗口分别为0–200 ps (e)和0.3–3 ps (f)。

近日，北京量子信息科学研究院兼聘/清华大学熊启华教授团队与南方科技大学薛其坤教授、清华大学物理系王立莉研究员团队、北京大学高鹏教授团队等合作，在单层FeSe/SrTiO3薄膜超快动力学和电子-声子耦合相互作用研究中取得重要进展。研究团队结合超快泵浦-探测光谱与扫描透射电子显微镜-电子能量损失谱(STEM-EELS)技术，将局域的界面声子模式与准粒子动力学联系起来，直接观测到FeSe/SrTiO3界面电子-声子耦合的直接证据，为理解FeSe/SrTiO3界面超导增强的机制提供了新见解。该工作发表于国际顶级期刊《物理评论快报》上(Physical Review Letters.2025, DOI: 10.1103/qxfc-khzf )。

1、引言

在过去的十多年间，在SrTiO3(001)(STO)衬底上生长的单层(1 UC)FeSe薄膜的界面增强超导性引起了人们浓厚的研究兴趣，这是迄今为止最薄的超导体，其超导转变温度(Tc)远高于FeSe块材，Tc高达65-109 K，创下了铁基高温超导的新高，挑战了对超导配对机制的常规理解。更为新奇的是，单层FeSe/SrTiO3具有独特的电子结构，并且这种界面超导性仅发生在FeSe为单个晶胞层时，在SrTiO3衬底上生长的第二层FeSe则不具有超导电性，这些新奇的现象表明，界面结构在单层FeSe超导增强中具有重要作用。大量的研究结果建立了单层FeSe界面高温超导的微观图像：界面电荷转移与界面电子-声子耦合之间的协同作用，共同增强了超导电性。实验发现仅靠电子掺杂仅可以将FeSe层的Tc提高至48 K左右，仍显著低于单层FeSe/SrTiO3薄膜的Tc。学界普遍认为界面电子-声子耦合相互作用有助于增强电子配对，尤其是之前角分辨光电子能谱(ARPES)实验观察到的复制带，被认为是电子-声子耦合的重要特征。但其微观机制仍有待阐明，尚缺乏直接的实验验证。

2、单层FeSe/SrTiO3薄膜界面电子-声子耦合相互作用的直接证据

在光激发下，15FeTe/1FeSe/NSTO薄膜的准粒子动力学随延迟时间而发生周期性调制，表现为两个不同频率的相干振荡(如图1)。其中低频模式是由探测光沿NSTO (001)衬底和薄膜传播的反射光的干涉引起的一个相干声学支声子，另一个频率为4.2 THz的高频模式是一个相干光学支声子。为了判断4.2 THz相关声子的来源，研究人员分别在相同厚度的FeTe薄膜和单独的SrTiO3衬底上进行了平行对比实验。如图2所示，光激发下，在外延FeSe和FeTe薄膜样品中均探测到一个4.2 THz的相干光学声子，但在相同的激发条件下，在SrTiO3衬底上却没有探测到该声子，这是由于泵浦脉冲的能量太低(1100 nm，~1.13 eV)，无法激发SrTiO3(带隙~3.1 eV)。特别地，相比于FeTe/SrTiO3界面体系，该声子的振幅强度在FeSe/SrTiO3界面体系增强了两倍以上，这对界面电子-声子耦合具有重要意义。这些结果表明，相干声子不是来自于FeSe层，因为在15FeTe/NSTO薄膜中也探测到了该声子。另外，SrTiO3衬底施加的外延拉伸应力不足以将块体FeTe中A1g声子的频率(158 cm−1，4.74 THz)降低到4.2 THz，进一步说明该声子也不是FeTe的声子。

图2. 不同样品准粒子动力学的比较。(a)-(c) 分别为15FeTe/1FeSe/NSTO，15FeTe/NSTO和单独的NSTO的ΔR/R作为延迟时间Δt和探测光能量的二维等高线图。测试温度分别为10 K，10 K和30 K，泵浦脉冲能量密度均为2.86 mJ/cm2。(d)-(f) 与(a)-(c)对应的二维FFT图像。(g) 从(a)-(c)中提取出的三个样品在1.7 eV的准粒子弛豫动力学，与15FeTe/NSTO和单独的NSTO相比，15FeTe/1FeSe/NSTO的相干声子振幅被显著增强。(h) 与(g)对应的FFT图谱。

为了阐明4.2 THz相干声子模式的来源，研究人员利用STEM-EELS对异质结构的原子结构和声子模式进行了表征。如图3所示，STEM-EELS结果表明该声子模式源自双层TiOx截止面中Ti和O离子的面外振动，这种振动通过产生可以穿透FeSe和FeTe层的动态偶极子来诱导界面电子-声子耦合。更重要的是，相比于FeTe/SrTiO3界面体系，该声子的振幅强度在FeSe/SrTiO3界面体系增强了两倍以上，这可能是由于SrTiO3衬底对FeSe层更强的电子掺杂，有助于增强界面偶极子，从到导致界面电子-声子耦合增强(图2和图3)。

图3. 15FeTe/1FeSe/NSTO和15FeTe/NSTO界面的原子结构和声子谱。(a),(b) 15FeTe/1FeSe/NSTO和15FeTe/NSTO的高角环形暗场(HAADF)图像。(c),(d) 15FeTe/1FeSe/NSTO和15FeTe/NSTO的拟合残差表明界面出现了新的声子模式。(e) 从15FeTe/1FeSe/NSTO和15FeTe/NSTO中提取的界面声子谱线。(f) 15FeTe/1FeSe/NSTO和15FeTe/NSTO界面拟合残差的归一化拟合系数的线形图。

为了进一步探索相干声子的特性，研究人员进行了温度相关的超快动力学测量。如图4所示，在15FeTe/NSTO薄膜中，相干声子的振幅在70 K附近发生了明显的转变，对应于FeTe的反铁磁相(Antiferromagnetic，AFM)到顺磁相(Paramagnetic，PM)的结构相变。相反地，在15FeTe/1FeSe/NSTO薄膜中，相干声子的异常转变被抑制了，表现为相干声子的振幅随温度降低而单调增强。这种明显的差异突出了单层FeSe/SrTiO3独特的电子结构，这可能源于单层FeSe与SrTiO3之间更强的电子-声子耦合相互作用，较强的界面电子-声子耦合可能有助于稳定单层FeSe的结构，进而抑制其向列相转变。

该工作为FeSe/SrTiO3薄膜的界面电子-声子耦合提供了直接的实验证据，推动了界面超导增强机理的研究。

图4. 准粒子动力学随温度的演化。(a),(b) 15FeTe/1FeSe/NSTO和15FeTe/NSTO的二维ΔR/R准粒子动力学行为随温度的演化，泵浦脉冲能量密度为0.25 mJ/cm2。(c),(d) 探测光能量为1.7 eV 时，准粒子动力学行为随温度的演化。清晰起见，(d)中100 K到200 K的图谱在垂直方向向上平移了0.0025。(e) 相干声子振幅强度随温度的演化。

3、HELIOS瞬态吸收光谱(fs-TA)在超快动力学研究中的核心作用

本研究采用Ultrafast Systems公司制造的HELIOS飞秒瞬态吸收光谱仪，研究团队自主搭建了宽光谱微区瞬态吸收/反射光谱系统，其时间分辨率目前可以达到~40 fs，探测范围为350–980 nm，满足该研究内容的飞秒超快光谱与动力学探测需求。

如图5是基于飞秒激光系统及光参量放大器(OPA)的宽光谱微区瞬态吸收/反射光谱系统光路原理图。飞秒激光器产生的1 kHz 飞秒光(800 nm，35 fs)分束后，一束进入OPA，产生大范围可调的泵浦光(波长240 nm–15 μm)，为各种泵浦激发提供条件;另一束通过延迟线来改变延迟时间，并进一步聚焦到非线性晶体(蓝宝石Sapphire或氟化钙CaF2)，激发产生超连续白光(350–980 nm，对应能量范围1.3–3.5 eV)，从而实现可见光范围的瞬态吸收/反射光谱的探测。系统的时间分辨率~120 fs，空间分辨率~7 μm。结合周期克尔介质层和啁啾镜组，对泵浦光脉冲进行压缩，可以实现~40 fs的时间分辨能力。配合真空和低温系统，可以实现4.2–325 K的变温测量。

图5. 宽光谱微区瞬态吸收/反射光谱系统原理图。

常规的稳态实验测量的是各种物理量的平均值，时间分辨超快光谱作为研究激发态动力学的有效手段，可以为准粒子与各种激发态(电子、声子、磁激子耦合等)提供丰富的相互作用信息，是研究高温超导电子-声子相互作用的有效手段。超快光谱还可以研究材料中的一些集体激发模式，例如相干声子，相干磁振子等。材料被泵浦脉冲激发后，其中的集体模式通过受激拉曼散射或位移激发等机制被激发出来，这些集体模式在超快时间尺度内对材料的相关性质进行周期性调控，在相应的瞬态吸收/反射光谱中表现为相干振荡信号。

审核编辑 黄宇