Constraining the Superconducting Gap of Monolayer FeSe/SrTiO$_3$ via Statistical Analysis and Tip-Height-Dependent Tunneling Spectroscopy

Supergeleiding is een materietoestand waarin elektriciteit zonder enige weerstand stroomt, een fenomeen dat meestal vereist dat materialen worden afgekoeld tot temperaturen nabij het absolute nulpunt. Decennialang hebben wetenschappers gezocht naar materialen die bij hogere, meer praktische temperaturen supergeleidend kunnen zijn, in de hoop de stroomnetten en elektronica te revolutioneren. Een bijzonder intrigerende kandidaat is opgedoken in de vorm van een enkele laag ijzerseleenide, een verbinding bestaande uit ijzer en selenium, gegroeid op een kristal van strontiumtitanaat. Terwijl een dik blok van dit materiaal supergeleidend wordt bij een ijzige zes graden boven het absolute nulpunt, wordt deze atomaire dunne versie, wanneer deze op het juiste kristaloppervlak wordt geplaatst, plotseling supergeleidend bij temperaturen boven de zestig graden. Deze dramatische sprong suggereert dat de interface tussen de twee materialen iets bijzonders doet met de elektronen, misschien door lading over te dragen of te vibreren op een manier die helpt bij het vormen van paren. Het begrijpen van exact hoe dit gebeurt, is echter moeilijk geweest omdat de standaardinstrumenten die gebruikt worden om de energiekloof te meten — de energiebarrière die elektronen moeten overwinnen om uit elkaar te gaan — verward werden door rommelige, onduidelijke signalen.

Om dit raadsel op te lossen, maakten onderzoekers gebruik van een techniek genaamd scanning tunneling spectroscopy, waarbij een ongelooflijk scherpe naald wordt gebruikt om het oppervlak van het materiaal atoom voor atoom te verkennen. In een typisch experiment zoeken wetenschappers naar specifieke pieken in het elektrische signaal die duidelijk de randen van de supergeleidende kloof zouden markeren. Maar in dit specifieke materiaal ontbreken die pieken of zijn ze begraven onder een complex landschap van andere kenmerken, waardoor het onmogelijk is om simpelweg naar een piek te wijzen en te zeggen: "Daar is de kloof." In plaats van te proberen een duidelijke piek uit de ruis te dwingen, koos het team een andere aanpak. Ze varieerden systematisch de afstand tussen hun naald en het oppervlak van het materiaal, waarbij ze de punt steeds dichter naar het materiaal toe brachten terwijl ze de verandering in de elektrische stroom maten. Ze brachten ook het oppervlak in kaart bij verschillende temperaturen en locaties, waarbij ze een enorme hoeveelheid gegevens verzamelden om te zoeken naar patronen die een enkele meting zou kunnen missen.

Door te analyseren hoe het elektrische signaal afnam naarmate de naald bewoog, ontdekte het team dat het tunnelingproces anders werkt bij verschillende energieniveaus. Bij zeer lage energieën, onder de zes millielectronvolt, wordt de stroom gedomineerd door een kwantumeffect dat bekend staat als Andreev-reflectie, waarbij elektronen op een specifieke manier terugkaatsen van de supergeleider, wat wijst op een volledig open energiekloof. Naarmate de energie toeneemt tussen zes en dertien millielectronvolt, is het signaal een mengeling van deze reflectie en de normale stroom van elektronen. Boven dertien millielectronvolt verschuift het gedrag volledig naar de normale stroom van elektronen, wat suggereert dat de supergeleidende kloof volledig is overgestoken. Deze overgang stelde de onderzoekers in staat om de grootte van de kloof te bepalen zonder een enkele, perfecte piek te hoeven identificeren. Ze vonden dat de kloof volledig open is onder de zes millielectronvolt en zich uitstrekt tot ongeveer dertien millielectronvolt, een bereik dat voorheen onderwerp van debat was.

Het team keek ook naar hoe het elektrische signaal zich over het oppervlak van het materiaal gedroeg. Ze ontdekten dat bij lage energieën het signaal bijna niet bestond, behalve direct naast kleine defecten of imperfecties in het kristal. Dit sugggeert dat de supergeleidende toestand robuust en uniform is, met de enkele uitzonderingen als gelokaliseerde plekken waar de kloof lichtelijk wordt doorbroken. Naarmate de energie toenam, verspreidde het signaal zich over het gehele oppervlak, wat aangeeft dat de elektronen vrij worden om op een meer standaard manier te bewegen. Bovendien merkten ze een opvallende relatie op tussen de laagenergiesignalen nabij defecten en de hogere-energieregio's: waar het signaal bij lage energie sterk was, was het signaal bij hoge energie zwak, en vice versa. Deze inverse relatie bevestigde dat de defecten specifieke toestanden binnen de kloof creëerden, waardoor de energie op een voorspelbare manier werd herverdeeld.

Deze bevindingen geven een veel duidelijker beeld van de supergeleidende kloof in dit materiaal, waarbij de omvang ervan wordt vastgesteld op een bereik tussen zes en dertien millielectronvolt. De studie toont aan dat zelfs wanneer de standaard visuele aanwijzingen vertroebeld zijn, statistische analyse van hoe het signaal verandert met afstand en positie, de onderliggende fysica kan onthullen. Door onderscheid te maken tussen verschillende soorten elektronentunneling, waren de onderzoekers in staat om het energielandschap in kaart te brengen zonder afhankelijk te zijn van de ambigue pieken die eerdere studies hadden verward. Deze aanpak biedt een krachtige nieuwe manier om complexe supergeleiders te onderzoeken, waarbij suggereert dat de sleutel tot het begrijpen van deze materialen niet alleen ligt in hoe het spectrum eruitziet, maar in hoe het reageert op de fysieke nabijheid van het meetinstrument.