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FeSe的电声耦合影响因素研究取得新进展

(文/李婷婷)

        近期,中科院合肥研究院固体所计算物理与量子材料研究部曾雉研究员课题组在FeSe的电声耦合影响因素研究方面取得了新进展。研究发现,静水压下Wyckoff位置zSe增加和晶格常数减小的共同作用会导致FeSe的电声耦合强度增强,预测并证明了对FeSe施加面内双轴压缩应变可增强电声耦合,这对通过铁基超导提高超导性能及探究超导原理发挥重要作用。相关研究结果以“Factors affecting the electron-phonon coupling in FeSe under pressure”为题发表在Physical Chemistry Chemical Physics (Phys. Chem. Chem. Phys., 23, 25107-25113(2021)) 上。

       自2008年发现第一个铁基超导体LaOFeAs以来,由于铁基超导体母体化合物拥有许多与传统铜基超导体母体化合物不同的特性,铁基超导体得到了广泛研究和关注。在铁基超导体结构中,最关键的部分是包含FeX4四面体(X为氮族或硫族元素)的平面层状结构。FeSe在铁基超导体中具有最简单的晶体结构,因而成为研究超导相关特性的重要材料。研究表明,在小于9GPa的静水压力下,FeSe的超导转变温度(Tc)随着压力的增加而增加。压力会改变FeSe的结构,从而改变其电子结构和声子频率,导致电声耦合发生变化,且电声耦合在FeSe中至关重要。因此,了解FeSe结构变化对电声耦合的影响有助于探究超导原理。

       对FeSe施加静水压力会增加Se原子的Wyckoff位置zSe并降低晶格常数,而目前的研究只强调了zSe的增加对电声耦合的重要性。为此,固体所研究团队利用第一性原理计算,探讨zSe和晶格常数对FeSe电声耦合的影响。构建了三个条件下的FeSe结构:(i) 施加静水压;(ii) 只增加zSe值,不改变晶格常数;(iii) 只减小晶格常数,不改变zSe值。计算分析这三组结构的电声耦合常数、电子结构以及拉曼频率发现,对FeSe施加静水压、增加zSe值以及减小晶格常数均可增大电声耦合常数(图1)。对FeSe施加2GPa静水压后,电声耦合常数与费米能级附近的态密度增加,A1g和B1g模式的拉曼频率增加;只增加FeSe的zSe值,费米能级附近的态密度会显著增加,同时拉曼频率减小;只减小FeSe的晶格常数,会导致费米能级附近的态密度减小,同时拉曼频率显著增强。增加zSe可提高费米能级附近的态密度,晶格压缩会增强拉曼频率,这两种结构变化的共同作用增加了静水压下FeSe的电声耦合。


图1. 三组FeSe结构的 (a), (d), (g)电声耦合常数λ;(b), (e), (h)能带结构和(c), (f), (i)拉曼频率。条件(i)为施加静水压;条件(ii)为只增加zSe值,不改变晶格常数;条件(iii)为只减小晶格常数,不改变zSe值。(b)、(e)和(h)中的黑色虚线代表基态能带结构,红色实线代表各个条件下的能带结构,蓝色虚线代表费米能级。

       面内双轴压缩应变可以增加zSe值,降低面内晶格常数。对FeSe施加面内双轴压缩应变后,Γ点附近最外侧的费米面向外扩张,最内侧费米面向内收缩,费米能级附近的态密度增加,拉曼频率增强(图2)。电声耦合计算结果表明面内双轴压缩应变可增加电声耦合常数。同时,实验结果发现,FeSe上的平面内双轴压缩应变会导致更高的Tc值,从而确认了双轴应变下电声耦合对FeSe超导性质的重要性。该研究工作获得了FeSe中影响电声耦合因素的详细第一性原理数据,为进一步理解实验结果并提高电声耦合强度提供了数据支撑。


图2. (a)基态和(b)平面内1.24%双轴压缩应变下的FeSe在kz=0平面上的费米面;(c) 虚线和实线分别表示基态下和1.24%的面内双轴压缩应变下的FeSe的A1g和B1g拉曼频率。


       上述工作得到了国家自然科学基金的资助,所有计算在中科院超算中心合肥分中心完成。

       全文链接:https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/cp/d1cp02749b


地址:安徽省合肥市蜀山区科学岛固体物理所 邮编:230031 电话:0551-65591461