FeSe薄膜原位精密调控及角分辨光电子能谱研究

The discovery of superconductivity in FeSe thin film has generated another intensive wave of research on high temperature superconductivity. On one hand, the superconducting transition temperature (Tc) is over 60 K in FeSe thin film, which provides another direction for searching high-Tc superconductors. On the other hand, due to its unique metal-oxide interface, electronic structure, and pairing symmetry, the understanding of FeSe thin film is crucial for unveiling the mechanism of high-Tc superconductivity. We propose to construct a molecular beam epitaxy (MBE) film growth system and an in-situ sample tunning platform. We will connect these two systems with the newest generation angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES) system and achieve the real-time control and real-time measurement. Utilizing such a powerfull system, we will focus on the understanding of superconductivity, phase diagram, and metal-oxide interface in FeSe thin film. Furthermore, based on our research on the mechanism of superconductivity in FeSe thin film, we would like to develop new film growth techniques and search for higher Tc superconductors.

FeSe薄膜中存在超导电性是最近高温超导学界的一个重大发现。一方面，其具有非常高的转变温度，给寻找液氮温度以上甚至更高超导转变温度的超导材料，指明了一个方向。另一方面，其独特的金属氧化物界面、电子结构和配对对称性等性质，都使得FeSe薄膜可能成为揭示高温超导形成机理的重要突破口。本项目计划搭建一套分子束外延生长系统和原位精密样品调控系统，并与最新一代的角分辨光电子能谱系统相结合。这套系统将重心放在实时调控和实时测量的能力上，这对FeSe薄膜材料的研究至关重要。我们将利用这套平台，深入和系统的研究FeSe薄膜中的超导电性、相图和金属氧化物界面等特性，揭示其超导电性形成机理。同时，利用所积累下来的经验，进一步改进FeSe薄膜的生长工艺，提高其超导转变温度。

超薄FeSe薄膜中存在超导电性是最近高温超导学界的一个重大发现。一方面，其具有非常高的转变温度，给寻找液氮温度以上甚至更高超导转变温度的超导材料，指明了一个方向。另一方面，其独特的金属氧化物界面、电子结构和配对对称性等性质，都使得FeSe薄膜可能成为揭示高温超导形成机理的重要突破口。在本项目的资助下，我们自主设计并搭建了注重于原位生长、原位调控和原位测量的的角分辨光电子能谱系统。整个系统不仅在各项指标上达到了国际先进水平，同时极大提高了我们对样品调控的自由度。在这套系统中，我们将原位样品调控系统、分子束外延生长系统和最新一代的角分辨光电子能谱系统紧密结合在了一起。利用这一系统，我们取得了多个研究成果。首先，我们对FeSe超导材料和多个相关超导材料进行了原位调控并对其电子结构进行了角分辨光电子能谱测量。我们结果发现在FeSe体材料和FeTe1-xSex材料中，表面重电子掺杂均可以产生20~30K的超导相。这一超导相和FeSe超薄膜中的超导相相同，体系了其普适性。通过对这一超导相研究，我们发现其配对可能来源于其电子型费米面之间的带间散射。其次，我们对FeSe超导材料和Sr1-xNaxFe2As2超导材料中的对称破缺相进行了研究，解释了向列序和C4磁有序相的形成机理。最后，我们对Cr基超导相关材料BaCr2As2的电子结构进行了研究，发现了其电子结构中多个有趣的特征。整个项目一方面在设备的研发和搭建上进行了多项技术创新，完成了设计目标，不仅对于FeSe超导机理的研究奠定了基础，并且将会极大帮助我们理解新型复杂量子体系。另一方面，本项目对FeSe及其相关材料的研究，揭示了FeSe薄膜超导配对机理，加深了我们对铁基高温超导中对称破缺态的理解，并对新型Cr基超导的探索提供了重要的实验线索。