פרמיונים כבדים מופיעים בגביש בין מתכתי שכבות - עולם הפיזיקה

אלקטרונים הם בדרך כלל בין חלקיקי היסוד הקלים ביותר, אך בחומרים המכונים "פרמיונים כבדים", הם נעים כאילו היו מאסיביים יותר פי מאות. כבדות יוצאת דופן זו מתרחשת בגלל אינטראקציות חזקות בין אלקטרונים מוליכים ומומנטים מגנטיים מקומיים בחומר, ונחשב כי הוא ממלא תפקיד חשוב בהתנהגותם של מוליכים בטמפרטורה גבוהה או "לא שגרתיים".

חוקרים בארה"ב, שוודיה, ספרד וגרמניה סינתזו כעת חומר פרמיון כבד דו-ממדי חדש מקריסטל בין-מתכתי שכבות עשוי צריום, סיליקון ויוד (CeSiI). החומר החדש יכול לתת למדענים הזדמנויות חדשות לחקור את האינטראקציות שמובילות להתנהגות לא מובנת כמו מוליכות-על לא שגרתית ותופעות קוונטיות קשורות.

"בדרך כלל, חומרי הפרמיון הכבדים הללו הם מבנים בין-מתכתיים עם קשר חזק בתלת מימד, אבל זה היה ידוע כבר זמן מה שהפיכת חומרים אלה ליותר דו מימדיים יכולה לעזור לקדם את מוליכות העל הלא שגרתית המופיעה בכמה תרכובות פרמיון כבדות", מסביר חאווייר רוי, כימאי ב קולומביה בארה"ב שהוביל את המחקר החדש. "זיהינו פרמיונים כבדים בחומר השכבתי של ואן דר ואלס CeSiI, המכיל קשר חזק בשני מימדים אך מוחזק יחד בצורה חלשה רק בשלישי."

אלקטרוני הולכה מתחברים חזק לרגעים מגנטיים מקומיים

החוקרים בחרו לחקור את CeSiI, שסונתז לראשונה ב-1998, לאחר חיפוש במאגרי מידע קריסטלוגרפיים אחר חומרים שעשויים לארח את האינטראקציות החזקות הללו (הידוע בשם אינטראקציות Kondo). בפרט, הם שאפו לשלב שלושה יסודות מפתח: אטומי צריום, המספקים מומנט מגנטי מקומי; מוליכות מתכתית, המבטיחה נוכחות של נושאי מטען; ומבנה שכבות ואן דר ואלס שיאפשר להם לקלף (לקלף) שכבות דקות של החומר בעובי של אטומים בודדים בלבד. לאחר מכן ניתן לסובב ולסנן שכבות בודדות אלו, או לערום על גבי חומרים אחרים, כדי לשנות את תכונות החומר.

כדי לייצר CeSiI, החוקרים שילבו מתכת צריום, סיליקון ויוד צריום וחיממו את ההרכב לטמפרטורה גבוהה. הנוהל הזה, שהם מפרטים בו טבע, מייצר טסיות משושה מהחומר הרצוי. "בדיוק כפי שקיווינו, אנו מגלים שאלקטרוני ההולכה מתחברים בחוזקה לרגעים המגנטיים המקומיים באטומי Ce, מה שמביא לשיפור המסה האפקטיבית והסדר האנטי-פרומגנטי בטמפרטורה נמוכה", מסביר ויקטוריה פוזי, סטודנטית לדוקטורט במעבדה של רוי מי סינתז את החומר.

באמצעות מיקרוסקופ מנהור סריקה מדידות שבוצעו ב המעבדה של אבהיי פסופתי בקולומביה, החוקרים גילו שהספקטרום של החומר אופייני לפרמיונים כבדים. הם גיבו את התוצאות הללו במדידות ספקטרוסקופיה פוטו-פליטה ב- המעבדה הלאומית ברוקבן, מדידות הובלת אלקטרונים ב אוניברסיטת הרווארד ומדידות מגנטיות ב- המעבדה הלאומית לשדה מגנטי גבוה בפלורידה. הם גם עבדו עם קבוצה של תיאורטיקנים בקולומביה, מכון פלטירון, ה מכון מקס פלאנק בגרמניה, של שוודיה אוניברסיטת אופסלה ושני מוסדות בסן סבסטיאן, ספרד לפתח מסגרת תיאורטית להסבר התצפיות שלהם.

מוליך-על לא שגרתי הוא אפילו יותר מהצפוי

חבר צוות מייקל זיבל מסביר שהתוצאה הייתה אפשרית, בין השאר, בגלל מאמץ משותף של קולומביה, ברוקהייבן ומכון פלטירון להנדס מאפיינים חדשים בחומרים דו-ממדיים. "אתגר מרכזי אחד שהיינו צריכים להתגבר עליו היה רגישות האוויר של החומר, מה שאומר שהיינו צריכים לפתח דרכים חדשות לטפל בדגימות במעבדה שלנו", אומר זיבל. "באופן רחב יותר, ביסוס נוכחות של פרמיונים כבדים עצמם יכול להיות די מאתגר - אין מדידה של 'אקדח מעשן'."

החוקרים מתכננים כעת להחליף אטומים שונים באתרי הצריום, הסיליקון או היוד ב-CeSiI כדי לנסות לדכא את הסדר המגנטי שלו ולעורר מצבי קרקע אלקטרוניים חדשים. לאחר מכן, על ידי פילינג החומר לעוביים שונים, הם שואפים לחקור את השפעות הממדיות על תרכובות אלו. "במקביל, אנו מיישמים את הטכניקות שבהן השתמשנו בעבודה זו כדי לשנות באופן שיטתי את המאפיינים של CeSiI בגבול הדו-ממד, דבר אשר, בתקווה, יגרום לתופעות קוונטיות חדשות הנובעות מהשילוב של אינטראקציות אלקטרוניות חזקות וממדיות נמוכה", אומר רועי.

• הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. העצים את עצמך. גישה כאן.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. הידע מוגבר. גישה כאן.
• PlatoESG. פחמן, קלינטק, אנרגיה, סביבה, שמש, ניהול פסולת. גישה כאן.
• PlatoHealth. מודיעין ביוטכנולוגיה וניסויים קליניים. גישה כאן.
• מקור: https://physicsworld.com/a/heavy-fermions-appear-in-a-layered-intermetallic-crystal/