Βαριά φερμιόνια εμφανίζονται σε έναν διαμεταλλικό κρύσταλλο με στρώσεις - Physics World

Βαριά φερμιόνια εμφανίζονται σε έναν διαμεταλλικό κρύσταλλο με στρώσεις - Physics World

Χρονική σήμανση: 8 Φεβρουαρίου 2024 7:00 π.μ.

Γελοιογραφία με έντονα χρώματα που δείχνει αλληλεπιδράσεις μεταξύ ηλεκτρονίων και μαγνητικών σπιν ως μοντέλο με μπάλα και βέλη
Βαριά φερμιόνια: Σε υλικά όπως το CeSiI, οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ ηλεκτρονίων και μαγνητικών σπιν δίνουν στα ηλεκτρόνια μια βαρύτερη από το συνηθισμένο αποτελεσματική μάζα. Εκτός από ένα βαρύ φερμιόνιο, το CeSiI είναι ένας κρύσταλλος van der Waals που μπορεί να αποφλοιωθεί σε ατομικά λεπτά στρώματα. (Ευγενική προσφορά: Nicoletta Barolini, Πανεπιστήμιο Κολούμπια)

Τα ηλεκτρόνια είναι συνήθως από τα ελαφρύτερα θεμελιώδη σωματίδια, αλλά στα λεγόμενα «βαριά φερμιόνια» υλικά, κινούνται σαν να ήταν εκατοντάδες φορές μεγαλύτερης μάζας. Αυτή η ασυνήθιστη βαρύτητα εμφανίζεται λόγω των ισχυρών αλληλεπιδράσεων μεταξύ των αγώγιμων ηλεκτρονίων και των εντοπισμένων μαγνητικών ροπών στο υλικό και πιστεύεται ότι παίζει σημαντικό ρόλο στη συμπεριφορά των υπεραγωγών υψηλής θερμοκρασίας ή των «μη συμβατικών» υπεραγωγών.

Ερευνητές στις ΗΠΑ, τη Σουηδία, την Ισπανία και τη Γερμανία συνέθεσαν τώρα ένα νέο δισδιάστατο βαρύ φερμιονικό υλικό από έναν διαμεταλλικό κρύσταλλο σε στρώματα από δημήτριο, πυρίτιο και ιώδιο (CeSiI). Το νέο υλικό θα μπορούσε να δώσει στους επιστήμονες νέες ευκαιρίες να μελετήσουν τις αλληλεπιδράσεις που προκαλούν κακώς κατανοητή συμπεριφορά, όπως η μη συμβατική υπεραγωγιμότητα και τα σχετικά κβαντικά φαινόμενα.

«Συνήθως, αυτά τα βαριά φερμιόνια υλικά είναι διαμεταλλικές δομές με ισχυρούς δεσμούς σε τρεις διαστάσεις, αλλά είναι γνωστό εδώ και αρκετό καιρό ότι το να γίνουν αυτά τα υλικά πιο δισδιάστατα μπορεί να συμβάλει στην προώθηση της ασυνήθιστης υπεραγωγιμότητας που εμφανίζεται σε ορισμένες βαριές ενώσεις φερμιονίων», εξηγεί. Ξαβιέ Ρόι, χημικός στο Πανεπιστήμιο Κολούμπια στις ΗΠΑ που ηγήθηκε της νέας μελέτης. «Έχουμε εντοπίσει βαριά φερμιόνια στο υλικό CeSiI με στρώματα van der Waals, το οποίο περιέχει ισχυρούς δεσμούς σε δύο διαστάσεις, αλλά συγκρατείται ασθενώς μόνο στην τρίτη».

Τα ηλεκτρόνια αγωγιμότητας συνδέονται έντονα με τοπικές μαγνητικές ροπές

Οι ερευνητές επέλεξαν να μελετήσουν το CeSiI, το οποίο συντέθηκε για πρώτη φορά το 1998, αφού έψαξαν σε κρυσταλλογραφικές βάσεις δεδομένων για υλικά που θα μπορούσαν να φιλοξενήσουν αυτές τις ισχυρές αλληλεπιδράσεις (γνωστές ως αλληλεπιδράσεις Kondo). Συγκεκριμένα, είχαν ως στόχο να συνδυάσουν τρία βασικά στοιχεία: άτομα δημητρίου, τα οποία παρέχουν μια τοπική μαγνητική ροπή. μεταλλική αγωγιμότητα, η οποία εξασφαλίζει την παρουσία φορέων φορτίου. και μια δομή με στρώματα van der Waals που θα τους επέτρεπε να απολεπίσουν (ξεκολλήσουν) λεπτά στρώματα του υλικού με πάχος μόλις λίγων ατόμων. Αυτά τα μεμονωμένα στρώματα μπορούν στη συνέχεια να συστραφούν και να στραγγιστούν ή να στοιβαστούν πάνω από άλλα υλικά, για να αλλάξουν οι ιδιότητες του υλικού.

Για να φτιάξουν το CeSiI, οι ερευνητές συνδύασαν μέταλλο δημητρίου, πυρίτιο και ιωδιούχο δημήτριο και θέρμαιναν το σύνολο σε υψηλή θερμοκρασία. Αυτή η διαδικασία, την οποία αναλύουν Φύση, δημιουργεί εξαγωνικά αιμοπετάλια του επιθυμητού υλικού. «Ακριβώς όπως ελπίζαμε, διαπιστώνουμε ότι τα ηλεκτρόνια αγωγιμότητας συνδέονται έντονα με τις τοπικές μαγνητικές ροπές στα άτομα Ce, γεγονός που οδηγεί σε ενισχυμένη αποτελεσματική μάζα και αντισιδηρομαγνητική τάξη σε χαμηλή θερμοκρασία», εξηγεί. Victoria Posey, διδακτορική φοιτήτρια στο εργαστήριο του Roy που συνέθεσε το υλικό.

Χρησιμοποιώντας μετρήσεις μικροσκοπίας σάρωσης σήραγγας που πραγματοποιήθηκαν σε Το εργαστήριο του Abhay Pasupathy στην Κολούμπια, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι το φάσμα του υλικού είναι χαρακτηριστικό των βαρέων φερμιονίων. Υποστήριξαν αυτά τα αποτελέσματα με μετρήσεις φασματοσκοπίας φωτοεκπομπής στο Εθνικό Εργαστήριο Brookhaven, μετρήσεις μεταφοράς ηλεκτρονίων στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ και μαγνητικές μετρήσεις στο Εθνικό Εργαστήριο Υψηλού Μαγνητικού Πεδίου στη Φλόριντα. Εργάστηκαν επίσης με μια ομάδα θεωρητικών στην Κολούμπια, το Ινστιτούτο Flatiron, τη Ινστιτούτο Max Planck στη Γερμανία, της Σουηδίας Το Πανεπιστήμιο της Ουψάλα και δύο ιδρύματα στο Σαν Σεμπαστιάν της Ισπανίας για να αναπτύξουν ένα θεωρητικό πλαίσιο για να εξηγήσουν τις παρατηρήσεις τους.

Μέλος της ομάδας Μάικλ Ζίμπελ εξηγεί ότι το αποτέλεσμα ήταν δυνατό, εν μέρει, λόγω μιας συλλογικής προσπάθειας από την Columbia, το Brookhaven και το Ινστιτούτο Flatiron να δημιουργήσουν νέες ιδιότητες σε δισδιάστατα υλικά. «Μια σημαντική πρόκληση που έπρεπε να ξεπεράσουμε ήταν η ευαισθησία του υλικού στον αέρα, που σήμαινε ότι έπρεπε να αναπτύξουμε νέους τρόπους χειρισμού δειγμάτων στο εργαστήριό μας», λέει ο Ziebel. «Γενικότερα, η διαπίστωση της παρουσίας των ίδιων των βαρέων φερμιονίων μπορεί να είναι αρκετά δύσκολη – δεν υπάρχει μέτρηση «όπλο καπνίσματος».

Οι ερευνητές σχεδιάζουν τώρα να αντικαταστήσουν διαφορετικά άτομα στις θέσεις δημητρίου, πυριτίου ή ιωδίου στο CeSiI για να προσπαθήσουν να καταστείλουν τη μαγνητική του τάξη και να προκαλέσουν νέες ηλεκτρονικές θεμελιώδεις καταστάσεις. Στη συνέχεια, απολεπίζοντας το υλικό σε διαφορετικά πάχη, στοχεύουν στη μελέτη των επιδράσεων της διάστασης σε αυτές τις ενώσεις. «Παράλληλα, εφαρμόζουμε τις τεχνικές που χρησιμοποιήσαμε σε αυτή την εργασία για να αλλάξουμε συστηματικά τις ιδιότητες του CeSiI στο όριο 2D, κάτι που, ελπίζουμε, θα προκαλέσει νέα κβαντικά φαινόμενα που προκύπτουν από τον συνδυασμό ισχυρών ηλεκτρονικών αλληλεπιδράσεων και χαμηλής διαστάσεις», λέει. Ρόι.

Σφραγίδα ώρας:

Περισσότερα από Κόσμος Φυσικής