Aparecen fermiones pesados ​​en un cristal intermetálico en capas – Mundo Física

Aparecen fermiones pesados ​​en un cristal intermetálico en capas – Mundo Física

Marca de tiempo: 8 de febrero de 2024 7:00 AM

Caricatura de colores brillantes que muestra las interacciones entre electrones y espines magnéticos como un modelo de bola y flechas.
Fermiones pesados: en materiales como el CeSiI, las interacciones entre electrones y espines magnéticos dan a los electrones una masa efectiva más pesada de lo habitual. Además de ser un fermión pesado, el CeSiI es un cristal de Van der Waals que se puede pelar en capas atómicamente finas. (Cortesía: Nicoletta Barolini, Universidad de Columbia)

Los electrones normalmente se encuentran entre las partículas fundamentales más ligeras, pero en los materiales llamados “fermiones pesados”, se mueven como si fueran cientos de veces más masivos. Esta pesadez inusual se produce debido a fuertes interacciones entre electrones conductores y momentos magnéticos localizados en el material, y se cree que desempeña un papel importante en el comportamiento de superconductores de alta temperatura o "no convencionales".

Investigadores de EE.UU., Suecia, España y Alemania han sintetizado un nuevo material bidimensional de fermiones pesados ​​a partir de un cristal intermetálico en capas hecho de cerio, silicio y yodo (CeSiI). El nuevo material podría brindar a los científicos nuevas oportunidades para estudiar las interacciones que dan lugar a comportamientos poco comprendidos, como la superconductividad no convencional y los fenómenos cuánticos relacionados.

"Por lo general, estos materiales de fermiones pesados ​​son estructuras intermetálicas con fuertes enlaces en tres dimensiones, pero se sabe desde hace algún tiempo que hacer que estos materiales sean más bidimensionales puede ayudar a promover la superconductividad no convencional que aparece en algunos compuestos de fermiones pesados", explica. Javier Roy, un químico en Columbia Uiversity en los EE. UU. que dirigió el nuevo estudio. "Hemos identificado fermiones pesados ​​en el material estratificado de Van der Waals CeSiI, que contiene enlaces fuertes en dos dimensiones pero se mantiene débilmente unido en la tercera".

Los electrones de conducción se acoplan fuertemente a los momentos magnéticos locales.

Los investigadores optaron por estudiar CeSiI, que se sintetizó por primera vez en 1998, después de buscar en bases de datos cristalográficas materiales que pudieran albergar estas fuertes interacciones (conocidas como interacciones de Kondo). En particular, pretendían combinar tres elementos clave: átomos de cerio, que proporcionan un momento magnético local; conductividad metálica, que asegura la presencia de portadores de carga; y una estructura en capas de Van der Waals que les permitiría exfoliar (despegar) capas delgadas del material de solo unos pocos átomos de espesor. Luego, estas capas individuales se pueden torcer y tensar, o apilar sobre otros materiales, para cambiar las propiedades del material.

Para fabricar CeSiI, los investigadores combinaron cerio metálico, silicio y yoduro de cerio y calentaron el conjunto a alta temperatura. Este procedimiento, que detallan en Naturaleza, genera plaquetas hexagonales del material deseado. "Tal como esperábamos, descubrimos que los electrones de conducción se acoplan fuertemente a los momentos magnéticos locales en los átomos de Ce, lo que da como resultado una masa efectiva mejorada y un orden antiferromagnético a baja temperatura", explica Victoria Posey, estudiante de doctorado en el laboratorio de Roy. quien sintetizó el material.

Utilizando mediciones de microscopía de efecto túnel realizadas en Laboratorio de Abhay Pasupathy en ColumbiaLos investigadores descubrieron que el espectro del material es característico de los fermiones pesados. Respaldaron estos resultados con mediciones de espectroscopía de fotoemisión en el Laboratorio Nacional Brookhaven, mediciones de transporte de electrones en La Universidad de Harvard y mediciones magnéticas en el Laboratorio Nacional de Alto Campo Magnético en Florida. También trabajaron con un grupo de teóricos de Columbia, el Instituto Flatiron, el Instituto Max Planck en Alemania, Suecia Universidad de Uppsala y dos instituciones en San Sebastián, España, para desarrollar un marco teórico para explicar sus observaciones.

Miembro del equipo Michael Ziebel explica que el resultado fue posible, en parte, gracias a un esfuerzo colectivo de Columbia, Brookhaven y el Instituto Flatiron para diseñar nuevas propiedades en materiales 2D. "Uno de los principales desafíos que tuvimos que superar fue la sensibilidad del material al aire, lo que significó que tuvimos que desarrollar nuevas formas de manipular las muestras en nuestro laboratorio", dice Ziebel. "En términos más generales, establecer la presencia de fermiones pesados ​​en sí mismos puede ser todo un desafío: no existe una medición irrefutable".

Los investigadores ahora planean sustituir diferentes átomos en los sitios de cerio, silicio o yodo en CeSiI para intentar suprimir su orden magnético e inducir nuevos estados fundamentales electrónicos. Luego, exfoliando el material en diferentes espesores, pretenden estudiar los efectos de la dimensionalidad en estos compuestos. "Paralelamente, estamos aplicando las técnicas que utilizamos en este trabajo para alterar sistemáticamente las propiedades del CeSiI en el límite 2D, algo que, con suerte, inducirá nuevos fenómenos cuánticos que surjan de la combinación de fuertes interacciones electrónicas y baja dimensionalidad", dice Roy.

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