فرمیون های سنگین در یک کریستال بین فلزی لایه ای ظاهر می شوند - دنیای فیزیک

فرمیون های سنگین در یک کریستال بین فلزی لایه ای ظاهر می شوند - دنیای فیزیک

تمبر زمان: 8 فوریه 2024، 7:00 صبح

کارتونی با رنگ روشن که تعامل بین الکترون ها و اسپین های مغناطیسی را به عنوان مدل توپ و فلش نشان می دهد
فرمیون‌های سنگین: در موادی مانند CeSiI، برهمکنش‌های بین الکترون‌ها و اسپین‌های مغناطیسی به الکترون‌ها جرم مؤثری سنگین‌تر از حد معمول می‌دهد. CeSiI علاوه بر اینکه یک فرمیون سنگین است، یک کریستال واندروالس است که می تواند در لایه های نازک اتمی پوست کنده شود. (با احترام: نیکولتا بارولینی، دانشگاه کلمبیا)

الکترون‌ها معمولاً جزو سبک‌ترین ذرات بنیادی هستند، اما در مواد به اصطلاح «فرمیون سنگین»، به‌گونه‌ای حرکت می‌کنند که گویی صدها برابر جرم دارند. این سنگینی غیرمعمول به دلیل برهمکنش های قوی بین الکترون های رسانا و گشتاورهای مغناطیسی موضعی در ماده رخ می دهد و تصور می شود که نقش مهمی در رفتار ابررساناهای با دمای بالا یا "غیر متعارف" ایفا می کند.

محققان در ایالات متحده، سوئد، اسپانیا و آلمان اکنون یک ماده فرمیون سنگین دو بعدی جدید را از یک کریستال بین فلزی لایه‌ای ساخته شده از سریم، سیلیکون و ید (CeSiI) سنتز کرده‌اند. این ماده جدید می‌تواند به دانشمندان فرصت‌های تازه‌ای برای مطالعه برهم‌کنش‌هایی بدهد که منجر به رفتارهای نادرست مانند ابررسانایی نامتعارف و پدیده‌های کوانتومی مرتبط می‌شود.

به طور معمول، این مواد فرمیونی سنگین ساختارهای بین فلزی با پیوندهای سه بعدی قوی هستند، اما مدتی است که مشخص شده است که دو بعدی کردن این مواد می تواند به ارتقای ابررسانایی غیر متعارف که در برخی از ترکیبات فرمیون سنگین ظاهر می شود کمک کند. خاویر روی، یک شیمیدان در دانشگاه کلمبیا در ایالات متحده که مطالعه جدید را رهبری کردند. ما فرمیون‌های سنگین را در ماده لایه‌ای CeSiI واندروالس شناسایی کرده‌ایم که دارای پیوند قوی در دو بعد است اما در بعد سوم به‌طور ضعیفی کنار هم نگه داشته می‌شود.

الکترون های رسانا به شدت با گشتاورهای مغناطیسی محلی جفت می شوند

محققان پس از جستجو در پایگاه‌های داده کریستالوگرافی برای یافتن موادی که ممکن است میزبان این فعل و انفعالات قوی باشند، CeSiI را که برای اولین بار در سال 1998 سنتز شد، مطالعه کردند. به طور خاص، آنها قصد داشتند سه عنصر کلیدی را ترکیب کنند: اتم های سریم، که یک گشتاور مغناطیسی محلی را فراهم می کند. هدایت فلزی، که حضور حامل های بار را تضمین می کند. و ساختار لایه‌ای واندروالسی که به آن‌ها اجازه می‌دهد لایه‌های نازکی از مواد را با ضخامت چند اتم لایه برداری کنند. سپس این لایه‌های مجزا را می‌توان پیچانده و صاف کرد یا روی مواد دیگر قرار داد تا خواص مواد تغییر کند.

برای ساخت CeSiI، محققان فلز سریم، سیلیکون و یدید سریم را ترکیب کردند و مجموعه را تا دمای بالا گرم کردند. این رویه که به تفصیل آن را توضیح می دهند طبیعت، پلاکت های شش ضلعی از ماده مورد نظر را تولید می کند. همانطور که امیدوار بودیم، متوجه شدیم که الکترون‌های رسانش به شدت با گشتاورهای مغناطیسی محلی روی اتم‌های Ce جفت می‌شوند، که منجر به افزایش جرم موثر و نظم ضد فرومغناطیسی در دمای پایین می‌شود. ویکتوریا پوزی، دانشجوی دکترا در آزمایشگاه روی که مواد را سنتز کرد.

با استفاده از اندازه گیری میکروسکوپ تونل زنی روبشی انجام شده در آزمایشگاه Abhay Pasupathy در کلمبیامحققان دریافتند که طیف ماده مشخصه فرمیون های سنگین است. آنها از این نتایج با اندازه‌گیری‌های طیف‌سنجی گسیل نور در این مرکز پشتیبانی کردند آزمایشگاه ملی بروکهاون، اندازه گیری های انتقال الکترون در دانشگاه هاروارد و اندازه گیری های مغناطیسی در آزمایشگاه ملی میدان مغناطیسی بالا در فلوریدا. آنها همچنین با گروهی از نظریه پردازان در کلمبیا کار کردند. موسسه Flatironاز موسسه ماکس پلانک آلمان، سوئد دانشگاه اوپسالا و دو موسسه در سان سباستین، اسپانیا برای ایجاد یک چارچوب نظری برای توضیح مشاهدات خود.

عضو تیم مایکل زیبل توضیح می دهد که نتیجه تا حدی به دلیل تلاش جمعی کلمبیا، بروکهاون و مؤسسه Flatiron برای مهندسی خواص جدید در مواد دوبعدی امکان پذیر بود. زیبل می‌گوید: «یک چالش بزرگ که باید بر آن غلبه می‌کردیم حساسیت مواد به هوا بود، که به این معنی بود که باید راه‌های جدیدی برای کار با نمونه‌ها در آزمایشگاه خود ایجاد می‌کردیم. به طور کلی، تعیین حضور فرمیون‌های سنگین می‌تواند بسیار چالش برانگیز باشد – هیچ اندازه‌گیری «تفنگ سیگار» وجود ندارد.»

محققان اکنون قصد دارند اتم‌های مختلف را در جایگاه‌های سریم، سیلیکون یا ید در CeSiI جایگزین کنند تا سعی کنند نظم مغناطیسی آن را سرکوب کنند و حالت‌های پایه الکترونیکی جدیدی را القا کنند. سپس با لایه برداری مواد به ضخامت های مختلف، به بررسی تأثیر ابعاد بر روی این ترکیبات می پردازند. به طور موازی، ما از تکنیک‌هایی که در این کار استفاده کردیم برای تغییر سیستماتیک خواص CeSiI در حد 2 بعدی استفاده می‌کنیم، چیزی که امیدواریم پدیده‌های کوانتومی جدیدی ناشی از ترکیب برهمکنش‌های الکترونیکی قوی و ابعاد کم را القا کند. روی.

تمبر زمان:

بیشتر از دنیای فیزیک