Kemikere skaber den første 2D tunge fermion med tungere elektroner end normalt

Forskere ved Columbia University har med succes syntetiseret det første 2D tunge fermionmateriale. De introducerer det nye materiale, en lagdelt intermetallisk krystal sammensat af cerium, silicium og iod (CeSiI), i en forskningsartikel offentliggjort i Nature.

Tunge fermionforbindelser er en klasse af materialer med elektroner, der er op til 1.000 gange tungere end normalt. I disse materialer bliver elektroner viklet ind med magnetiske spins, der bremser dem og øger deres effektive masse. Sådanne interaktioner menes at spille vigtige roller i en række gådefulde kvantefænomener, herunder superledning, bevægelse af elektrisk strøm uden modstand.

Forskere har udforsket tunge fermioner i årtier, men i form af voluminøse 3D-krystaller. Det nye materiale syntetiseret af ph.d. studerende Victoria Posey i Columbia-kemikeren Xavier Roys laboratorium vil give forskere mulighed for at droppe en dimension.

"Vi har lagt et nyt grundlag for at udforske fundamental fysik og undersøge unikke kvantefaser," sagde Posey.

Et af de seneste materialer, der er kommet ud af Roy-laboratoriet, CeSiI er en van der Waals-krystal, der kan skrælles i lag, der kun er et par atomer tykke. Det gør det nemmere at manipulere og kombinere med andre materialer end en bulkkrystal, ud over at have potentielle kvanteegenskaber, der forekommer i 2D.

"Det er utroligt, at Posey og Roy-laboratoriet kunne lave en tung fermion så lille og tynd," sagde seniorforfatter Abhay Pasupathy, fysiker ved Columbia og Brookhaven National Laboratory. "Ligesom vi så med den nylige Nobelpris til kvanteprikker, kan du gøre mange interessante ting, når du formindsker dimensioner."

Med sit midterste ark af silicium klemt mellem magnetiske ceriumatomer, havde Posey og hendes kolleger mistanke om, at CeSiI, som først blev beskrevet i et papir i 1998, kunne have nogle interessante elektroniske egenskaber. Dets første stop (efter at Posey fandt ud af, hvordan man forbereder den ekstremt luftfølsomme krystal til transport) var et Scanning Tunneling Microscope (STM) i Abhay Pasupathys fysiklaboratorium i Columbia.

Med STM observerede de en særlig spektrumform, der var karakteristisk for tunge fermioner. Posey syntetiserede derefter en ikke-magnetisk ækvivalent til CeSiI og vejede elektronerne i begge materialer via deres varmekapacitet. CeSiI'er var tungere. "Ved at sammenligne de to - et med magnetiske spins og et uden - kan vi bekræfte, at vi har skabt en tung fermion," sagde Posey.

Prøver tog derefter vej på tværs af campus og landet til yderligere analyser, herunder til Pasupathys laboratorium på Brookhaven National Laboratory for fotoemissionsspektroskopi; til Philip Kims laboratorium på Harvard til elektrontransportmålinger; og til National High Magnetic Field Laboratory i Florida for at studere dets magnetiske egenskaber. Undervejs hjalp teoretikere Andrew Millis ved Columbia og Angel Rubio hos Max Planck med at forklare holdenes observationer.

Herfra vil Columbias forskere gøre, hvad de er bedst til med 2D-materialer:stable, spænde, stikke og proppe dem for at se, hvilken unik kvanteadfærd, der kan lokkes ud af dem. Pasupathy planlægger at tilføje CeSiI til sit arsenal af materialer i søgen efter kvantekriticitet, det punkt, hvor et materiale skifter fra en unik fase til en anden. Ved crossover kan interessante fænomener som superledning vente.

"Manipulation af CeSiI ved 2D-grænsen vil give os mulighed for at udforske nye veje til at opnå kvantekritiskitet," sagde Michael Ziebel, en postdoc i Roy-gruppen og co-korresponderende forfatter, "og dette kan guide os i design af nye materialer."

Tilbage i kemiafdelingen udskifter Posey, som har perfektioneret de nødvendige luftfri synteseteknikker, systematisk atomerne i krystallen - for eksempel ved at bytte silicium til andre metaller, såsom aluminium eller gallium - for at skabe relaterede tunge fermioner med deres egne unikke egenskaber at studere. "Vi troede oprindeligt, at CeSiI var en enkeltstående," sagde Roy. "Men dette projekt er blomstret op i en ny form for kemi i min gruppe."

Flere oplysninger: Xavier Roy, Todimensionelle tunge fermioner i van der Waals-metallet CeSiI, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-023-06868-x. www.nature.com/articles/s41586-023-06868-x

Journaloplysninger: Natur

Leveret af Columbia University