I fermioni pesanti compaiono in un cristallo intermetallico stratificato – Physics World

Gli elettroni sono normalmente tra le particelle fondamentali più leggere, ma nei cosiddetti materiali “fermioni pesanti” si muovono come se fossero centinaia di volte più massicci. Questa insolita pesantezza è dovuta alle forti interazioni tra gli elettroni conduttori e i momenti magnetici localizzati nel materiale, e si ritiene che svolga un ruolo importante nel comportamento dei superconduttori ad alta temperatura o “non convenzionali”.

Ricercatori negli Stati Uniti, Svezia, Spagna e Germania hanno ora sintetizzato un nuovo materiale fermionico pesante bidimensionale da un cristallo intermetallico stratificato fatto di cerio, silicio e iodio (CeSiI). Il nuovo materiale potrebbe offrire agli scienziati nuove opportunità per studiare le interazioni che danno origine a comportamenti poco compresi come la superconduttività non convenzionale e i relativi fenomeni quantistici.

“In genere, questi materiali a fermioni pesanti sono strutture intermetalliche con forti legami in tre dimensioni, ma è noto da tempo che rendere questi materiali più bidimensionali può aiutare a promuovere la superconduttività non convenzionale che appare in alcuni composti a fermioni pesanti”, spiega Saverio Roy, un chimico presso Columbia University negli Stati Uniti che hanno condotto il nuovo studio. “Abbiamo identificato fermioni pesanti nel materiale stratificato di van der Waals CeSiI, che contiene forti legami in due dimensioni ma è tenuto insieme solo debolmente nella terza”.

Gli elettroni di conduzione si accoppiano fortemente ai momenti magnetici locali

I ricercatori hanno scelto di studiare il CeSiI, sintetizzato per la prima volta nel 1998, dopo aver cercato nei database cristallografici i materiali che potrebbero ospitare queste forti interazioni (note come interazioni Kondo). In particolare, miravano a combinare tre elementi chiave: atomi di cerio, che forniscono un momento magnetico locale; conduttività metallica, che garantisce la presenza di portatori di carica; e una struttura a strati di van der Waals che consentirebbe loro di esfoliare (staccare) sottili strati di materiale spessi solo pochi atomi. Questi singoli strati possono quindi essere attorcigliati e tesi o impilati sopra altri materiali per modificarne le proprietà.

Per produrre CeSiI, i ricercatori hanno combinato cerio metallico, silicio e ioduro di cerio e hanno riscaldato l'insieme ad alta temperatura. Questa procedura, in cui dettagliano Natura, genera piastrine esagonali del materiale desiderato. “Proprio come speravamo, scopriamo che gli elettroni di conduzione si accoppiano fortemente ai momenti magnetici locali sugli atomi di Ce, il che si traduce in una maggiore massa effettiva e nell’ordine antiferromagnetico a bassa temperatura”, spiega Victoria Posey, una studentessa di dottorato nel laboratorio di Roy che ha sintetizzato il materiale.

Utilizzando le misurazioni al microscopio a scansione tunnel eseguite in Il laboratorio di Abhay Pasupathy alla Columbia, i ricercatori hanno scoperto che lo spettro del materiale è caratteristico dei fermioni pesanti. Hanno supportato questi risultati con misurazioni della spettroscopia di fotoemissione al Laboratorio nazionale Brookhaven, misurazioni del trasporto di elettroni a Università di Harvard e misurazioni magnetiche al Laboratorio nazionale di campo magnetico elevato in Florida. Lavorarono anche con un gruppo di teorici della Columbia, il Flatiron Institute, le Istituto Max Planck in Germania, quello della Svezia Università di Uppsala e due istituzioni a San Sebastián, in Spagna, per sviluppare un quadro teorico per spiegare le loro osservazioni.

Il superconduttore non convenzionale è persino più strano del previsto

Membro della squadra Michael Ziebel spiega che il risultato è stato possibile, in parte, grazie a uno sforzo collettivo di Columbia, Brookhaven e Flatiron Institute per progettare nuove proprietà nei materiali 2D. "Una delle sfide principali che abbiamo dovuto superare è stata la sensibilità del materiale all'aria, il che significava che dovevamo sviluppare nuovi modi per gestire i campioni nel nostro laboratorio", afferma Ziebel. “Più in generale, stabilire la presenza degli stessi fermioni pesanti può essere piuttosto impegnativo: non esiste una “pistola fumante” di misurazione.”

I ricercatori ora pianificano di sostituire diversi atomi nei siti di cerio, silicio o iodio nel CeSiI per cercare di sopprimere il suo ordine magnetico e indurre nuovi stati elettronici fondamentali. Quindi, esfoliando il materiale a diversi spessori, mirano a studiare gli effetti della dimensionalità su questi composti. “Parallelamente, stiamo applicando le tecniche che abbiamo utilizzato in questo lavoro per alterare sistematicamente le proprietà del CeSiI al limite 2D, qualcosa che, si spera, indurrà nuovi fenomeni quantistici derivanti dalla combinazione di forti interazioni elettroniche e bassa dimensionalità”, afferma Roy.

• Distribuzione di contenuti basati su SEO e PR. Ricevi amplificazione oggi.
• PlatoData.Network Generativo verticale Ai. Potenzia te stesso. Accedi qui.
• PlatoAiStream. Intelligenza Web3. Conoscenza amplificata. Accedi qui.
• PlatoneESG. Carbonio, Tecnologia pulita, Energia, Ambiente, Solare, Gestione dei rifiuti. Accedi qui.
• Platone Salute. Intelligence sulle biotecnologie e sulle sperimentazioni cliniche. Accedi qui.
• Fonte: https://physicsworld.com/a/heavy-fermions-appear-in-a-layered-intermetallic-crystal/