Fermion berat muncul dalam kristal intermetalik berlapis – Dunia Fisika

Fermion berat muncul dalam kristal intermetalik berlapis – Dunia Fisika

Stempel Waktu: 8 Februari 2024 7:00

Kartun berwarna cerah yang menunjukkan interaksi antara elektron dan putaran magnet sebagai model bola dan panah
Fermion berat: Pada material seperti CeSiI, interaksi antara elektron dan putaran magnet menghasilkan massa efektif elektron yang lebih berat dari biasanya. Selain menjadi fermion berat, CeSiI adalah kristal van der Waals yang dapat dikupas menjadi lapisan yang sangat tipis secara atom. (Sumber: Nicoletta Barolini, Universitas Columbia)

Elektron biasanya merupakan partikel fundamental yang paling ringan, namun dalam material yang disebut “fermion berat”, elektron bergerak seolah-olah mereka ratusan kali lebih masif. Berat yang tidak biasa ini terjadi karena interaksi yang kuat antara elektron penghantar dan momen magnet lokal dalam material, dan diperkirakan memainkan peran penting dalam perilaku superkonduktor bersuhu tinggi atau “tidak konvensional”.

Para peneliti di AS, Swedia, Spanyol dan Jerman kini telah mensintesis bahan fermion berat dua dimensi baru dari kristal intermetalik berlapis yang terbuat dari cerium, silikon, dan yodium (CeSiI). Materi baru ini dapat memberi para ilmuwan peluang baru untuk mempelajari interaksi yang menimbulkan perilaku yang kurang dipahami seperti superkonduktivitas tidak konvensional dan fenomena kuantum terkait.

“Biasanya, material fermion berat ini merupakan struktur intermetalik dengan ikatan kuat dalam tiga dimensi, namun telah diketahui selama beberapa waktu bahwa membuat material ini lebih bersifat dua dimensi dapat membantu meningkatkan superkonduktivitas tidak konvensional yang muncul pada beberapa senyawa fermion berat,” jelasnya. Xavier Roy, seorang ahli kimia di Columbia University di AS yang memimpin studi baru. “Kami telah mengidentifikasi fermion berat dalam material berlapis van der Waals CeSiI, yang mengandung ikatan kuat dalam dua dimensi tetapi hanya terikat lemah pada dimensi ketiga.”

Elektron konduksi berpasangan kuat dengan momen magnet lokal

Para peneliti memilih untuk mempelajari CeSiI, yang pertama kali disintesis pada tahun 1998, setelah mencari database kristalografi untuk mencari bahan yang mungkin menampung interaksi kuat ini (dikenal sebagai interaksi Kondo). Secara khusus, mereka bertujuan untuk menggabungkan tiga elemen kunci: atom cerium, yang memberikan momen magnet lokal; konduktivitas logam, yang menjamin adanya pembawa muatan; dan struktur berlapis van der Waals yang memungkinkan mereka mengelupas (mengupas) lapisan tipis material yang tebalnya hanya beberapa atom. Lapisan-lapisan individual ini kemudian dapat dipelintir dan disaring, atau ditumpuk di atas bahan lain, untuk mengubah sifat bahan tersebut.

Untuk membuat CeSiI, para peneliti menggabungkan logam cerium, silikon, dan cerium iodida, lalu memanaskan ansambel tersebut hingga suhu tinggi. Prosedur ini, yang mereka jelaskan secara rinci Alam, menghasilkan trombosit heksagonal dari bahan yang diinginkan. “Seperti yang kami harapkan, kami menemukan bahwa elektron konduksi berpasangan kuat dengan momen magnet lokal pada atom Ce, yang menghasilkan peningkatan massa efektif dan tatanan antiferromagnetik pada suhu rendah,” jelasnya. Victoria Posey, seorang mahasiswa PhD di laboratorium Roy yang mensintesis materi tersebut.

Dengan menggunakan scanning tunneling microscopy, pengukuran dilakukan di Laboratorium Abhay Pasupathy di Columbia, para peneliti menemukan bahwa spektrum material merupakan karakteristik fermion berat. Mereka mendukung hasil ini dengan pengukuran spektroskopi fotoemisi di Laboratorium Nasional Brookhaven, pengukuran transpor elektron di Harvard University dan pengukuran magnetik di Laboratorium Medan Magnet Tinggi Nasional di Florida. Mereka juga bekerja dengan sekelompok ahli teori di Columbia, Institut Flatiron, yang Institut Max Planck di Jerman, Swedia Uppsala University dan dua institusi di San Sebastián, Spanyol untuk mengembangkan kerangka teoritis untuk menjelaskan pengamatan mereka.

Anggota tim Michael Ziebel menjelaskan bahwa hasil ini mungkin terjadi, sebagian karena upaya kolektif Columbia, Brookhaven, dan Institut Flatiron untuk merekayasa properti baru dalam material 2D. “Salah satu tantangan besar yang harus kami atasi adalah sensitivitas material terhadap udara, yang berarti kami harus mengembangkan cara baru untuk menangani sampel di laboratorium kami,” kata Ziebel. “Secara lebih luas, menentukan keberadaan fermion berat bisa jadi cukup menantang – tidak ada pengukuran yang mudah.”

Para peneliti sekarang berencana untuk mengganti atom yang berbeda ke dalam situs serium, silikon atau yodium di CeSiI untuk mencoba menekan tatanan magnetiknya dan menginduksi keadaan dasar elektronik baru. Kemudian, dengan mengelupas bahan tersebut ke ketebalan yang berbeda, mereka bertujuan untuk mempelajari efek dimensi pada senyawa tersebut. “Secara paralel, kami menerapkan teknik yang kami gunakan dalam penelitian ini untuk secara sistematis mengubah sifat-sifat CeSiI pada batas 2D, sesuatu yang diharapkan akan menyebabkan fenomena kuantum baru yang timbul dari kombinasi interaksi elektronik yang kuat dan dimensi yang rendah,” kata Roy.

Stempel Waktu:

Lebih dari Dunia Fisika