(2024 arXiv) Pair density wave in 1UC FeSe/STO

논문: 2024 arXiv (https://arxiv.org/abs/2406.05693)

논문 제목: Visualizing uniform lattice-scale pair density wave in single-layer FeSe/SrTiO3 films

저자: Yao Zhang1, Lianzhi Yang1, Chaofei Liu1, Wenhao Zhang1,*, Ying-Shuang Fu1,*

 

요약

이 논문에서 저자들은 scanning tunneling microscope를 이용해서 SrTiO3 sample 위에 성장한 single layer FeSe에서 interface structure로 인해서 발생하는 crystal symmetry breaking에 의한 lattice scale의 pair density wave (PDW)를 관측하였다고 주장한다. lattice scale의 superconducting gap의 크기 변화와 superconducting tip으로 측정한 Josephson current의 변화는 phase stiffness의 real space oscillation을 나타내는 것으로 주장한다. 또한 이러한 lattice scale의 PDW는 기존에 알려진 장거리의 PDW와 공존하고 있음을 관측했다고 한다.  

 

관측 내용

이 논문에서 SrTiO3 기판 위에 단일 unit cell (1UC) 두께의 FeSe film을 성장시켰고,

Scanning tunneling microscopy/spectroscopy를 이용하여 lattice규모의 pair density wave를 관측했음을 주장한다.

이 실험 data에서 1UC FeSe의 초전도 갭은 대략 ±15 meV (gap1) 와 ±9 meV (gap2) 에서 나타난다. 

참고문헌 PRL 117, 117001 (2016) 를 언급하면서, gap1 (15meV)는 dxy orbital band에 의한 것이며, gap2 (9meV)는 dxz/dyz orbital band에 의한 것임을 전제로 한다. 

conductance map에 따르면 gap1은 Se site (그림 b) 그리고 gap2는 Fe site (그림 c) 에서 상대적으로 강한 intensity를 보인다.  

저자는 gap1과 관련된 dxy orbital이 Se의 p orbital과 강한 hybridization을 해서 Se site에서 높음을 제안하고

gap2와 관련된 dyz와 dxz orbital은 Se의 p orbital과의 coupling이 약해서 Fe site에서 signal이 발생함을 제안한다. 

△1 → dxy :  strong p-d_xy hybridization → Se site △2 → dyz/dxz : weak p-d_yz/xz hybridization  → Fe site

 

저자의 sample에서 Se-1 vs Se-2 그리고 Fe-1 vs Fe-2 두 종류로 분류됨을 관측하였다. 

interfacial effect로 인해서 Fe 원자가 top most Se atom과 더욱 강하게 결합하여 rotational symmetry가 깨어져서 이와 같은 결과가 나왔음을 주장한다.  

 

Se-Se line (그림a 의 붉은 line) 그리고 Fe-Fe line (그림a 의 초록 line) 을 따라서 line spectrum (그림c 와 d)을 관측하였고, 두 경우 모두 gap1의 size가 ~1mV 내외로 2a_Fe 의 주기를 가지며 진동하고,  superconducting coherence peak height (CPH) 가 반대의 phase로 2a_Fe 의 주기로 진동함을 관측했다 (그림 d and f).

   

저자들은 Nb tip을 이용한 Josephson 측정을 통해서 CPH와 동일한 주기의 Josephson peak 세기의 modulation을 관측했고(그림 h and i), CPH와 Josephson peak의 요동이 intra unit cell (UC) - pair density wave에 의한 것임을 제안한다. 

 

그리고 2x1 domain 근처에서 √2a_Fe (13mV) 주기의 intra UC pair density wave 와 5.4a_Fe 주기의 inter UC pair density wave가 공존하고 있음을 확인했다.