تظهر الفرميونات الثقيلة في طبقات الكريستال المعدنية – عالم الفيزياء

عادة ما تكون الإلكترونات من بين أخف الجسيمات الأساسية، ولكن في ما يسمى بمواد "الفرميون الثقيل"، فإنها تتحرك كما لو كانت أكبر بمئات المرات. يحدث هذا الثقل غير المعتاد بسبب التفاعلات القوية بين الإلكترونات الموصلة والعزوم المغناطيسية الموضعية في المادة، ويُعتقد أنه يلعب دورًا مهمًا في سلوك الموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة العالية أو "غير التقليدية".

قام باحثون في الولايات المتحدة والسويد وإسبانيا وألمانيا الآن بتجميع مادة فرميون ثقيلة جديدة ثنائية الأبعاد من بلورة معدنية ذات طبقات مصنوعة من السيريوم والسيليكون واليود (CeSiI). يمكن أن تمنح المادة الجديدة العلماء فرصًا جديدة لدراسة التفاعلات التي تؤدي إلى سلوك غير مفهوم جيدًا، مثل الموصلية الفائقة غير التقليدية والظواهر الكمومية ذات الصلة.

"عادةً ما تكون مواد الفرميون الثقيلة هذه عبارة عن هياكل بين المعادن ذات روابط قوية في ثلاثة أبعاد، ولكن من المعروف منذ بعض الوقت أن جعل هذه المواد أكثر ثنائية الأبعاد يمكن أن يساعد في تعزيز الموصلية الفائقة غير التقليدية التي تظهر في بعض مركبات الفرميون الثقيلة،" كما يوضح. كزافييه روي، كيميائي في جامعة كولومبيا في الولايات المتحدة الذي قاد الدراسة الجديدة. "لقد حددنا الفرميونات الثقيلة في مادة فان دير فالس ذات الطبقات CeSiI، والتي تحتوي على ترابط قوي في بعدين ولكن يتم تماسكها بشكل ضعيف في البعد الثالث."

تقترن إلكترونات التوصيل بقوة بالعزوم المغناطيسية المحلية

اختار الباحثون دراسة CeSiI، الذي تم تصنيعه لأول مرة في عام 1998، بعد البحث في قواعد البيانات البلورية عن المواد التي قد تستضيف هذه التفاعلات القوية (المعروفة باسم تفاعلات كوندو). وعلى وجه الخصوص، كانوا يهدفون إلى الجمع بين ثلاثة عناصر رئيسية: ذرات السيريوم، التي توفر عزمًا مغناطيسيًا محليًا؛ الموصلية المعدنية، مما يضمن وجود ناقلات الشحنة؛ وهيكل طبقات فان دير فالس الذي من شأنه أن يسمح لهم بتقشير (تقشير) طبقات رقيقة من المادة يبلغ سمكها بضع ذرات فقط. ويمكن بعد ذلك لف هذه الطبقات الفردية وتوترها، أو تكديسها فوق مواد أخرى، لتغيير خصائص المادة.

ولصنع CeSiI، جمع الباحثون معدن السيريوم والسيليكون ويوديد السيريوم وقاموا بتسخين المجموعة إلى درجة حرارة عالية. وهذا الإجراء الذي يشرحونه بالتفصيل الطبيعة‎تنتج صفائح سداسية الشكل من المادة المرغوبة. "تمامًا كما كنا نأمل، نجد أن إلكترونات التوصيل تقترن بقوة بالعزوم المغناطيسية المحلية على ذرات Ce، مما يؤدي إلى تعزيز الكتلة الفعالة والنظام المغناطيسي المضاد عند درجة حرارة منخفضة"، يوضح ذلك. فيكتوريا بوسي، طالبة دكتوراه في مختبر روي الذي قام بتجميع المادة .

باستخدام قياسات المجهر النفقي الماسح التي تم إجراؤها في مختبر أبهاي باسوباثي في ​​كولومبياووجد الباحثون أن طيف المادة هو سمة من سمات الفرميونات الثقيلة. لقد دعموا هذه النتائج بقياسات التحليل الطيفي للانبعاث الضوئي في مختبر بروكهافن الوطنيقياسات نقل الإلكترون في جامعة هارفارد والقياسات المغناطيسية في المختبر الوطني العالي للمجال المغناطيسي في فلوريدا. كما عملوا أيضًا مع مجموعة من المنظرين في جامعة كولومبيا، معهد فلاتيرونأطلقت حملة معهد ماكس بلانك في ألمانيا، السويد جامعة أوبسالا ومؤسستين في سان سيباستيان بإسبانيا لتطوير إطار نظري لشرح ملاحظاتهم.

الموصل الفائق غير التقليدي أكثر غرابة مما كان متوقعًا

عضو فريق مايكل زيبل يوضح أن النتيجة كانت ممكنة، جزئيًا، بسبب الجهد الجماعي الذي بذلته كولومبيا وبروكهافن ومعهد فلاتيرون لتصميم خصائص جديدة في المواد ثنائية الأبعاد. يقول زيبل: "كان أحد التحديات الرئيسية التي كان علينا التغلب عليها هو حساسية المادة للهواء، مما يعني أنه كان علينا تطوير طرق جديدة للتعامل مع العينات في مختبرنا". "على نطاق أوسع، قد يكون تحديد وجود الفرميونات الثقيلة في حد ذاتها أمرًا صعبًا للغاية - لا يوجد قياس قوي".

ويخطط الباحثون الآن لاستبدال ذرات مختلفة في مواقع السيريوم أو السيليكون أو اليود في CeSiI لمحاولة قمع نظامها المغناطيسي واستحداث حالات أرضية إلكترونية جديدة. ومن ثم، من خلال تقشير المادة بسماكات مختلفة، يهدفون إلى دراسة تأثيرات الأبعاد على هذه المركبات. يقول: "بالتوازي، نحن نطبق التقنيات التي استخدمناها في هذا العمل لتغيير خصائص CeSiI بشكل منهجي عند الحد ثنائي الأبعاد، وهو الأمر الذي نأمل أن يؤدي إلى ظواهر كمومية جديدة تنشأ من مزيج من التفاعلات الإلكترونية القوية والأبعاد المنخفضة". روي.

• محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. تمكين نفسك. الوصول هنا.
• أفلاطونايستريم. ذكاء Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
• أفلاطون كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
• أفلاطون هيلث. التكنولوجيا الحيوية وذكاء التجارب السريرية. الوصول هنا.
• المصدر https://physicsworld.com/a/heavy-fermions-appear-in-a-layered-intermetallic-crystal/