단일층 FeSe의 서브격자 이분법과 η‑페어링 메커니즘

초록

단일층 FeSe/ SrTiO₃에서 STM/STS 측정을 통해 α‑Fe와 β‑Fe 서브격자마다 전자·정공 비대칭이 반전된 두 개의 초전도 갭(내·외) 코히런스 피크가 관찰되었다. 이는 인터페이스에서 깨진 반전 대칭으로 인해 정상 짝(pairing)과 k와 –k+Q 사이의 η‑페어링이 공존함을 시사한다.

상세 분석

본 연구는 MBE로 성장한 원자 수준 평탄한 1×1 구조의 단일층 FeSe를 SrTiO₃(001) 기판 위에 증착하고, 초저온 STM/STS를 이용해 Fe 원자 두 서브격자(α‑Fe, β‑Fe)를 원자 해상도로 구분하였다. 고해상도 토폴로지와 푸리에 변환 결과는 두 Fe 서브격자가 서로 다른 위치에 존재함을 명확히 보여준다. 전압 ±10 meV에서 나타나는 내‑갭(V_i)과 ±15–17 meV의 외‑갭(V_o) 코히런스 피크는 각각 전자와 정공 측면에서 강도 차이가 반전된다. 구체적으로 α‑Fe에서는 +V_i(정공쪽) 피크가 β‑Fe의 –V_i(전자쪽) 피크와 거의 동일한 강도를 보이며, 외‑갭에서는 그 반대 현상이 나타난다. 이러한 서브격자 의존적 파티클‑홀 비대칭은 정상 상태(고온)에서는 거의 관찰되지 않으며, 초전도 상태 내부( |E|≤17 meV )에서만 뚜렷하게 나타난다. 저자들은 이를 두 종류의 페어링이 동시에 존재하는 ‘혼합 페어링’ 모델로 설명한다. 첫 번째는 전통적인 0‑모멘텀( k, –k ) 짝으로 짝수 퍼리티를 갖고, 두 번째는 Q = (π, π) 를 더한 ( k, –k+Q ) 짝으로 홀 퍼리티를 가진 η‑페어링이다. SrTiO₃와 FeSe 사이의 인터페이스에서 반전 대칭이 깨지면서 두 페어링이 공존할 수 있게 되고, 이는 서브격자마다 전자·정공 비대칭이 다르게 나타나는 원인으로 작용한다. k·p 모델을 이용한 계산은 실험 데이터와 정량적으로 일치하며, 특히 –d³I/dV³ 곡선의 부호 변화가 서브격자 이분법을 강조한다. 따라서 이 연구는 Fe‑기반 초전도체에서 서브격자 자유도가 새로운 페어링 차원을 제공한다는 점을 실증적으로 제시한다.