beat365官方网站量子材料科學中心、電子顯微鏡實驗室高鵬課題組與中國科學院物理研究所朱學濤、郭建東等合作，首次實現了FeSe/SrTiO₃界面局域聲子的原子尺度觀測。在SrTiO₃基底上生長的單層FeSe，它的超導轉變溫度顯著提高，其超導增強機制引起了廣泛讨論與關注。聯合研究團隊通過使用掃描透射電子顯微鏡中的原子級分辨的成像和電子能量損失譜技術，揭示了FeSe/SrTiO₃界面上高度局域的聲子模式，并發現某些界面模式具有強烈的電聲耦合作用特征。該發現為理解FeSe/SrTiO₃界面上超導增強的機制提供了新的見解，原子尺度上振動譜的測量也為超導機理研究提供了新手段。該研究成果以“FeSe/SrTiO₃界面局域聲子的原子尺度觀測”（Atomic-scale observation of localized phonons at FeSe/SrTiO₃interface）為題，于4月23日發表在《自然·通訊》（Nature Communications 2024, 15, 3418）。

在SrTiO₃基底上生長的單層FeSe因其超導轉變溫度顯著高于體相FeSe而受到了廣泛關注。普遍認為界面局域聲子模式的電子-聲子耦合可能在該界面超導增強中起着重要作用，尤其是之前角分辨光電子能譜 ( ARPES) 實驗觀察到了複制帶，其能量與主帶相差大約 90 到 100 meV，該複制帶被認為是為電子-聲子耦合的特征。但該複制帶的具體機制尚無定論，界面局域的聲子模式也尚未被直接觀測到。

在最近發表的工作裡，來自beat365和中科院物理所的聯合團隊使用掃描透射電子顯微鏡-電子能量損失譜（STEM-EELS）技術來研究FeSe/SrTiO₃的界面聲子。該技術能夠同時揭示界面的原子結構、電子态和聲子模式，從而準确建立他們之間得關聯，進而揭示其中的相互作用機制。該工作首先結合高角環形暗場(HAADF)圖像與原子分辨的芯能級損失譜，識别出了FeSe/SrTiO₃界面處特殊的雙層Ti-O終止面結構，并在頂層Ti-O面中（與FeSe相鄰的那層）發現了特殊的原子重構。随後在跨過界面的原子分辨聲子譜中觀察到了高度局域化的界面聲子模式。結合第一性原理計算，他們找到了源自雙層Ti-O終止面的界面聲子模式，即主要在頂層Ti-O面增強，能量為~18 meV和~81meV的聲子模式，和主要在底層Ti-O面增強，能量為~51meV和~80meV的聲子模式。特别地，他們還發現了其中一個模式（約83meV）具有強電-聲耦合作用。該界面聲子模式的能量與之前ARPES實驗報道的複制帶能量相近。此外，該模式的強度主要集中在布裡淵區中心，因此其動量特征也與之前報道的前向散射模型一緻。據此研究團隊認為，這種短程相互作用的界面局域聲子可能在增強界面超導中發揮了重要作用。原子尺度上振動譜的測量為超導機理研究提供了新手段。

圖1. FeSe/SrTiO₃界面的原子分辨聲子譜以及相應的第一性原理計算結果。（a） FeSe/SrTiO₃界面的HAADF圖像。（b） 對應的原子分辨電子能量損失譜數據。（c） 從體态SrTiO₃（藍色）、底層TiO終止面（紫色）、頂層TiO終止面（橙色）、界面第一層FeSe（黃色）、體态FeSe（綠色）中提取的聲子譜線。對應的提取區域在a圖中以虛線框标記。标準差如灰色陰影所示。紅色、黑色箭頭指示了分别在頂層TiO終止面和底層TiO終止面增強的界面聲子模式。（d）由第一性原理計算得出的電子-聲子耦合線寬和Γ點的Eliashberg譜函數。

2024年4月23日，相關研究成果以“FeSe/SrTiO₃界面局域聲子的原子尺度觀測”（Atomic-scale observation of localized phonons at FeSe/SrTiO₃interface）為題，在線發表于《自然·通訊》（Nature Communications）雜志。beat365量子材料科學中心博雅博士後時若晨、beat365官方网站2023屆本科畢業生李其澤、中國科學院物理研究所2022屆博士畢業生徐小鳳為文章共同第一作者，高鵬、朱學濤、郭建東為論文通訊作者。其他作者還包括beat365電子顯微鏡實驗室杜進隆工程師、beat365官方网站凝聚态物理與材料物理研究所陳基研究員、南方科技大學量子科學與工程研究院俞大鵬院士等人。本工作感謝beat365官方网站量子材料科學中心王健教授和亞利桑那州立大學物理系Peter Rez教授讨論中提供的幫助。

上述研究工作得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃、科學探索獎、beat365電子顯微鏡實驗室、beat365高性能計算平台、量子物質科學協同創新中心、輕元素量子材料交叉平台等支持。

論文原文鍊接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-47688-5