Raskaat fermionit ilmestyvät kerroksellisessa metallienvälisessä kiteessä – Physics World

Raskaat fermionit ilmestyvät kerroksellisessa metallienvälisessä kiteessä – Physics World

Aikaleima: 8. helmikuuta 2024 7

Kirkkaanvärinen sarjakuva, jossa näkyy elektronien ja magneettisten spinien välisiä vuorovaikutuksia pallo ja nuoli -mallina
Raskaat fermionit: CeSiI:n kaltaisissa materiaaleissa elektronien ja magneettisten spinien väliset vuorovaikutukset antavat elektroneille tavallista raskaamman tehollisen massan. Sen lisäksi, että CeSiI on raskas fermioni, se on van der Waalsin kide, joka voidaan kuoria atomin ohuiksi kerroksiksi. (Kohtelias: Nicoletta Barolini, Columbia University)

Elektronit ovat tavallisesti kevyimpiä perushiukkasia, mutta niin sanotuissa "raskasfermion"-materiaaleissa ne liikkuvat ikään kuin ne olisivat satoja kertoja massiivisempia. Tämä epätavallinen raskaus johtuu johtavien elektronien ja materiaalin paikallisten magneettisten momenttien välisestä voimakkaasta vuorovaikutuksesta, ja sillä uskotaan olevan tärkeä rooli korkean lämpötilan tai "epätavanomaisten" suprajohteiden käyttäytymisessä.

Tutkijat Yhdysvalloissa, Ruotsissa, Espanjassa ja Saksassa ovat nyt syntetisoineet uuden kaksiulotteisen raskaan fermion-materiaalin ceriumista, piistä ja jodista (CeSiI) valmistetusta metallienvälisestä kiteestä. Uusi materiaali voisi antaa tutkijoille uusia mahdollisuuksia tutkia vuorovaikutuksia, jotka aiheuttavat huonosti ymmärrettyä käyttäytymistä, kuten epätavallista suprajohtavuutta ja siihen liittyviä kvanttiilmiöitä.

"Nämä raskaat fermionimateriaalit ovat tyypillisesti metallien välisiä rakenteita, joissa on vahva sidos kolmessa ulottuvuudessa, mutta on ollut tiedossa jo jonkin aikaa, että näiden materiaalien muuttaminen kaksiulotteisemmiksi voi auttaa edistämään epätavallista suprajohtavuutta, joka ilmenee joissakin raskaissa fermioniyhdisteissä", selittää. Xavier Roy, kemisti osoitteessa Columbia University Yhdysvalloissa, joka johti uutta tutkimusta. "Olemme tunnistaneet raskaita fermioneja van der Waalsin kerroksellisesta materiaalista CeSiI, joka sisältää vahvan sidoksen kahdessa ulottuvuudessa, mutta pysyy vain heikosti yhdessä kolmannessa ulottuvuudessa."

Johtoelektronit kytkeytyvät voimakkaasti paikallisiin magneettimomentteihin

Tutkijat päättivät tutkia CeSiI:tä, joka syntetisoitiin ensimmäisen kerran vuonna 1998, etsittyään kristallografisista tietokannoista materiaaleja, jotka voisivat isännöidä näitä vahvoja vuorovaikutuksia (tunnetaan nimellä Kondo-vuorovaikutukset). Erityisesti ne pyrkivät yhdistämään kolme avainelementtiä: ceriumatomit, jotka tarjoavat paikallisen magneettisen momentin; metallinjohtavuus, joka varmistaa varauksenkuljettajien läsnäolon; ja van der Waals -kerroksinen rakenne, jonka avulla ne voisivat kuoria (irrottaa) ohuita kerroksia materiaalista, jotka ovat vain muutaman atomin paksuisia. Näitä yksittäisiä kerroksia voidaan sitten kiertää ja siivilöidä tai pinota muiden materiaalien päälle materiaalin ominaisuuksien muuttamiseksi.

CeSiI:n valmistamiseksi tutkijat yhdistivät ceriummetallin, piin ja ceriumjodidin ja lämmittivät kokonaisuuden korkeaan lämpötilaan. Tämä menettely, jonka he yksityiskohtaisesti esittävät luonto, tuottaa kuusikulmaisia ​​verihiutaleita halutusta materiaalista. "Aivan kuten toivoimme, havaitsimme, että johtavuuselektronit kytkeytyvät voimakkaasti Ce-atomien paikallisiin magneettisiin momentteihin, mikä johtaa teholliseen massaan ja antiferromagneettiseen järjestykseen alhaisessa lämpötilassa", selittää. Victoria Posey, tohtoriopiskelija Royn laboratoriossa jotka syntetisoivat materiaalin.

Käyttämällä skannaustunnelimikroskooppimittauksia, jotka on suoritettu vuonna Abhay Pasupathyn laboratorio Kolumbiassa, tutkijat havaitsivat, että materiaalin spektri on ominaista raskaille fermioneille. He tukivat näitä tuloksia fotoemission spektroskopian mittauksilla Brookhavenin kansallinen laboratorio, elektronien kuljetusmittaukset klo Harvardin yliopisto ja magneettiset mittaukset osoitteessa Kansallinen magneettikenttälaboratorio Floridassa. He työskentelivät myös teoreetikkoryhmän kanssa Columbiassa, Flatiron-instituutti, The Max Planck -instituutti Saksassa, Ruotsin Uppsalan yliopisto ja kaksi laitosta San Sebastiánissa Espanjassa kehittääkseen teoreettisen viitekehyksen havaintojensa selittämiseksi.

Tiimin jäsen Michael Ziebel selittää, että tulos oli mahdollista osittain Columbian, Brookhavenin ja Flatiron Instituten yhteisten ponnistelujen ansiosta suunnitella uusia ominaisuuksia 2D-materiaaleihin. "Yksi suuri haaste, joka meidän oli voitettava, oli materiaalin ilmaherkkyys, mikä tarkoitti, että meidän oli kehitettävä uusia tapoja käsitellä näytteitä laboratoriossamme", Ziebel sanoo. "Laajemmin itse raskaiden fermionien läsnäolon toteaminen voi olla melko haastavaa – ei ole olemassa savuavien tykkien mittausta."

Tutkijat aikovat nyt korvata eri atomeja CeSiI:n cerium-, pii- tai jodikohtiin yrittääkseen tukahduttaa sen magneettisen järjestyksen ja indusoida uusia elektronisia perustiloja. Sitten kuorimalla materiaalia eripaksuuksiksi he pyrkivät tutkimaan dimensioisuuden vaikutuksia näihin yhdisteisiin. "Samaan aikaan käytämme tässä työssä käyttämiämme tekniikoita muuttaaksemme systemaattisesti CeSiI:n ominaisuuksia 2D-rajalla, mikä toivottavasti saa aikaan uusia kvanttiilmiöitä, jotka syntyvät vahvan elektronisen vuorovaikutuksen ja matalan ulottuvuuden yhdistelmästä", sanoo Roy.

Aikaleima:

Lisää aiheesta Fysiikan maailma