Tunge fermioner vises i en lagdelt intermetallisk krystal – Physics World

Tunge fermioner vises i en lagdelt intermetallisk krystal – Physics World

Tidsstempel: 8. februar 2024 kl. 7:00

Farvestrålende tegneserie, der viser interaktioner mellem elektroner og magnetiske spins som en kugle-og-pile-model
Tunge fermioner: I materialer som CeSiI giver interaktioner mellem elektroner og magnetiske spins elektronerne en tungere end sædvanlig effektiv masse. Ud over at være en tung fermion er CeSiI en van der Waals krystal, der kan skrælles i atomisk tynde lag. (Med høflighed: Nicoletta Barolini, Columbia University)

Elektroner er normalt blandt de letteste fundamentale partikler, men i såkaldte "tunge fermion"-materialer bevæger de sig, som om de var hundredvis af gange mere massive. Denne usædvanlige tyngde opstår på grund af stærke vekselvirkninger mellem ledende elektroner og lokaliserede magnetiske momenter i materialet, og det menes at spille en vigtig rolle i opførselen af ​​højtemperatur- eller "ukonventionelle" superledere.

Forskere i USA, Sverige, Spanien og Tyskland har nu syntetiseret et nyt todimensionalt tungt fermionmateriale fra en lagdelt intermetallisk krystal lavet af cerium, silicium og jod (CeSiI). Det nye materiale kunne give forskere nye muligheder for at studere de interaktioner, der giver anledning til dårligt forstået adfærd, såsom ukonventionel superledning og relaterede kvantefænomener.

"Typisk er disse tunge fermionmaterialer intermetalliske strukturer med stærk binding i tre dimensioner, men det har været kendt i nogen tid, at det at gøre disse materialer mere todimensionelle kan være med til at fremme den ukonventionelle superledningsevne, der forekommer i nogle tunge fermionforbindelser," forklarer Xavier Roy, en kemiker kl Columbia University i USA, der ledede den nye undersøgelse. "Vi har identificeret tunge fermioner i van der Waals lagdelte materiale CeSiI, som indeholder stærk binding i to dimensioner, men kun er svagt holdt sammen i den tredje."

Ledningselektroner kobler stærkt til lokale magnetiske momenter

Forskerne valgte at studere CeSiI, som først blev syntetiseret i 1998, efter at have søgt i krystallografiske databaser efter materialer, der kunne være vært for disse stærke interaktioner (kendt som Kondo-interaktioner). De havde især til formål at kombinere tre nøgleelementer: ceriumatomer, som giver et lokalt magnetisk moment; metallisk ledningsevne, som sikrer tilstedeværelsen af ​​ladningsbærere; og en van der Waals lagdelt struktur, der ville give dem mulighed for at eksfoliere (skrælle af) tynde lag af materialet blot et par atomer tykke. Disse individuelle lag kan derefter vrides og spændes, eller stables oven på andre materialer, for at ændre materialets egenskaber.

For at lave CeSiI kombinerede forskerne ceriummetal, silicium og ceriumiodid og opvarmede ensemblet til høj temperatur. Denne procedure, som de detaljerer i Natur, genererer sekskantede blodplader af det ønskede materiale. "Ligesom vi håbede, finder vi ud af, at ledningselektronerne kobler stærkt til de lokale magnetiske momenter på Ce-atomerne, hvilket resulterer i den forbedrede effektive masse og antiferromagnetiske orden ved lav temperatur," forklarer Victoria Posey, en ph.d.-studerende i Roys laboratorium hvem der har syntetiseret materialet.

Ved hjælp af scanning tunneling mikroskopi målinger udført i Abhay Pasupathys laboratorium i Columbia, fandt forskerne ud af, at materialets spektrum er karakteristisk for tunge fermioner. De bakkede disse resultater op med fotoemissionsspektroskopimålinger ved Brookhaven National Laboratory, elektrontransportmålinger kl Harvard University og magnetiske målinger ved National højmagnetisk feltlaboratorium i Florida. De arbejdede også med en gruppe teoretikere ved Columbia, Flatiron Institute, Max Planck Instituttet i Tyskland, Sveriges Uppsala Universitet og to institutioner i San Sebastián, Spanien for at udvikle en teoretisk ramme til at forklare deres observationer.

Medarbejder Michael Ziebel forklarer, at resultatet var muligt, delvist på grund af en kollektiv indsats fra Columbia, Brookhaven og Flatiron Institute for at konstruere nye egenskaber i 2D-materialer. "En stor udfordring, vi skulle overvinde, var materialets luftfølsomhed, hvilket betød, at vi var nødt til at udvikle nye måder at håndtere prøver på i vores laboratorium," siger Ziebel. "Mere generelt kan det være ret udfordrende at fastslå tilstedeværelsen af ​​tunge fermioner - der er ingen 'rygende pistol'-måling."

Forskerne planlægger nu at erstatte forskellige atomer i cerium-, silicium- eller jodstederne i CeSiI for at forsøge at undertrykke dens magnetiske orden og fremkalde nye elektroniske grundtilstande. Derefter, ved at eksfoliere materialet til forskellige tykkelser, sigter de mod at studere virkningerne af dimensionalitet på disse forbindelser. "Samtidig anvender vi de teknikker, vi brugte i dette arbejde til systematisk at ændre egenskaberne af CeSiI ved 2D-grænsen, noget der forhåbentlig vil inducere nye kvantefænomener, der opstår fra kombinationen af ​​stærke elektroniske interaktioner og lav dimensionalitet," siger Roy.

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden