Schwere Fermionen erscheinen in einem geschichteten intermetallischen Kristall – Physics World

Schwere Fermionen erscheinen in einem geschichteten intermetallischen Kristall – Physics World

Zeitstempel: 8. Februar 2024, 7:00 Uhr

Bunte Karikatur, die Wechselwirkungen zwischen Elektronen und magnetischen Spins als Kugel-und-Pfeil-Modell zeigt
Schwere Fermionen: In Materialien wie CeSiI führen Wechselwirkungen zwischen Elektronen und magnetischen Spins den Elektronen zu einer schwereren effektiven Masse als üblich. CeSiI ist nicht nur ein schweres Fermion, sondern auch ein Van-der-Waals-Kristall, der in atomar dünne Schichten geschält werden kann. (Mit freundlicher Genehmigung von Nicoletta Barolini, Columbia University)

Elektronen gehören normalerweise zu den leichtesten Elementarteilchen, aber in sogenannten „schweren Fermionen“-Materialien bewegen sie sich, als wären sie hundertmal massereicher. Diese ungewöhnliche Schwere entsteht durch starke Wechselwirkungen zwischen leitenden Elektronen und lokalisierten magnetischen Momenten im Material und spielt vermutlich eine wichtige Rolle beim Verhalten von Hochtemperatur- oder „unkonventionellen“ Supraleitern.

Forscher in den USA, Schweden, Spanien und Deutschland haben nun ein neues zweidimensionales schweres Fermionenmaterial aus einem geschichteten intermetallischen Kristall aus Cer, Silizium und Jod (CeSiI) synthetisiert. Das neue Material könnte Wissenschaftlern neue Möglichkeiten bieten, die Wechselwirkungen zu untersuchen, die zu kaum verstandenem Verhalten wie unkonventioneller Supraleitung und verwandten Quantenphänomenen führen.

„Typischerweise handelt es sich bei diesen schweren Fermion-Materialien um intermetallische Strukturen mit starker Bindung in drei Dimensionen, aber es ist seit einiger Zeit bekannt, dass die zweidimensionalere Gestaltung dieser Materialien dazu beitragen kann, die unkonventionelle Supraleitung zu fördern, die in einigen schweren Fermion-Verbindungen auftritt“, erklärt Xaver Roy, Chemiker bei Columbia University in den USA, der die neue Studie leitete. „Wir haben schwere Fermionen im Van-der-Waals-Schichtmaterial CeSiI identifiziert, das in zwei Dimensionen eine starke Bindung aufweist, in der dritten jedoch nur schwach zusammengehalten wird.“

Leitungselektronen koppeln stark an lokale magnetische Momente

Die Forscher entschieden sich für die Untersuchung von CeSiI, das erstmals 1998 synthetisiert wurde, nachdem sie kristallographische Datenbanken nach Materialien durchsucht hatten, die diese starken Wechselwirkungen (bekannt als Kondo-Wechselwirkungen) beherbergen könnten. Ihr Ziel war es insbesondere, drei Schlüsselelemente zu kombinieren: Ceratome, die ein lokales magnetisches Moment liefern; metallische Leitfähigkeit, die das Vorhandensein von Ladungsträgern gewährleistet; und eine Van-der-Waals-Schichtstruktur, die es ihnen ermöglichen würde, dünne Schichten des Materials mit einer Dicke von nur wenigen Atomen abzulösen (abzuziehen). Diese einzelnen Schichten können dann verdreht und gedehnt oder auf andere Materialien gestapelt werden, um die Eigenschaften des Materials zu verändern.

Um CeSiI herzustellen, kombinierten die Forscher Cermetall, Silizium und Ceriodid und erhitzten das Ensemble auf hohe Temperaturen. Dieses Verfahren, das sie detailliert beschreiben Natur, erzeugt sechseckige Plättchen aus dem gewünschten Material. „Genau wie erhofft stellen wir fest, dass die Leitungselektronen stark an die lokalen magnetischen Momente auf den Ce-Atomen koppeln, was zu einer erhöhten effektiven Masse und antiferromagnetischen Ordnung bei niedrigen Temperaturen führt“, erklärt Victoria Posey, eine Doktorandin in Roys Labor Wer hat das Material synthetisiert?

Mithilfe von Rastertunnelmikroskopie-Messungen durchgeführt in Abhay Pasupathys Labor in ColumbiaDie Forscher fanden heraus, dass das Spektrum des Materials charakteristisch für schwere Fermionen ist. Sie untermauerten diese Ergebnisse mit Photoemissionsspektroskopie-Messungen am Brookhaven National Laboratory, Elektronentransportmessungen bei Harvard University und magnetische Messungen an der Nationales Labor für hohe Magnetfelder in Florida. Sie arbeiteten auch mit einer Gruppe von Theoretikern an der Columbia University zusammen. das Flatiron Institute, der Max-Planck-Institut in Deutschland, Schwedens Universität Uppsala und zwei Institutionen in San Sebastián, Spanien, um einen theoretischen Rahmen zur Erklärung ihrer Beobachtungen zu entwickeln.

Teammitglied Michael Ziebel erklärt, dass das Ergebnis teilweise aufgrund einer gemeinsamen Anstrengung von Columbia, Brookhaven und dem Flatiron Institute möglich war, neue Eigenschaften in 2D-Materialien zu entwickeln. „Eine große Herausforderung, die wir bewältigen mussten, war die Luftempfindlichkeit des Materials, was bedeutete, dass wir neue Methoden für den Umgang mit Proben in unserem Labor entwickeln mussten“, sagt Ziebel. „Im Großen und Ganzen kann es eine ziemliche Herausforderung sein, das Vorhandensein schwerer Fermionen selbst festzustellen – es gibt keine eindeutige Messung.“

Die Forscher planen nun, verschiedene Atome in die Cer-, Silizium- oder Jodstellen von CeSiI einzubauen, um zu versuchen, seine magnetische Ordnung zu unterdrücken und neue elektronische Grundzustände zu induzieren. Anschließend wollen sie durch Peeling des Materials auf unterschiedliche Dicken die Auswirkungen der Dimensionalität auf diese Verbindungen untersuchen. „Parallel dazu wenden wir die Techniken an, die wir in dieser Arbeit verwendet haben, um die Eigenschaften von CeSiI an der 2D-Grenze systematisch zu verändern, was hoffentlich neue Quantenphänomene hervorrufen wird, die aus der Kombination starker elektronischer Wechselwirkungen und geringer Dimensionalität entstehen“, sagt er Roy.

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