무거운 페르미온은 층상 금속간 결정에 나타납니다.

무거운 페르미온은 층상 금속간 결정에 나타납니다.

타임 스탬프 : 8 년 2024 월 7 일 오전 00:XNUMX

공과 화살 모델로 전자와 자기 스핀 사이의 상호 작용을 보여주는 밝은 색상의 만화
무거운 페르미온: CeSiI와 같은 물질에서는 전자와 자기 스핀 사이의 상호 작용으로 인해 전자가 평소보다 무거운 유효 질량을 갖게 됩니다. 무거운 페르미온일 뿐만 아니라 CeSiI는 원자적으로 얇은 층으로 벗겨낼 수 있는 반 데르 발스 결정입니다. (제공: 컬럼비아대학교 Nicoletta Barolini)

전자는 일반적으로 가장 가벼운 기본 입자에 속하지만, 소위 "무거운 페르미온" 물질에서는 전자가 수백 배 더 큰 것처럼 움직입니다. 이러한 특이한 무거움은 전도성 전자와 물질의 국부적인 자기 모멘트 사이의 강한 상호작용으로 인해 발생하며, 고온 또는 "비전통적" 초전도체의 거동에 중요한 역할을 하는 것으로 생각됩니다.

미국, 스웨덴, 스페인, 독일의 연구자들은 세륨, 실리콘, 요오드(CeSiI)로 만들어진 층상 금속간 결정으로부터 새로운 2차원 무거운 페르미온 물질을 합성했습니다. 새로운 물질은 과학자들에게 비전통적인 초전도성 및 관련 양자 현상과 같이 잘 이해되지 않은 행동을 일으키는 상호 작용을 연구할 수 있는 새로운 기회를 제공할 수 있습니다.

일반적으로 이러한 무거운 페르미온 물질은 3차원에서 강한 결합을 갖는 금속간 구조이지만, 이러한 물질을 2차원적으로 만드는 것이 일부 무거운 페르미온 화합물에서 나타나는 비전통적인 초전도성을 촉진하는 데 도움이 될 수 있다는 것이 한동안 알려져 왔습니다. 자비에르 로이, 화학자 Columbia University 새로운 연구를 주도한 미국의 사람입니다. “우리는 반데르발스 층상 물질인 CeSiI에서 무거운 페르미온을 확인했는데, 이 물질은 2차원에서는 강한 결합을 갖고 있지만 3차원에서는 약하게 결합되어 있습니다.”

전도 전자는 국소 자기 모멘트에 강하게 결합됩니다.

연구진은 이러한 강력한 상호작용(콘도 상호작용으로 알려짐)을 유발할 수 있는 물질에 대한 결정학 데이터베이스를 검색한 후 1998년에 처음 합성된 CeSiI를 연구하기로 결정했습니다. 특히 그들은 국지적인 자기 모멘트를 제공하는 세륨 원자와 세 가지 핵심 요소를 결합하는 것을 목표로 삼았습니다. 전하 캐리어의 존재를 보장하는 금속 전도성; 그리고 몇 개의 원자 두께에 불과한 재료의 얇은 층을 벗겨낼 수 있는 반데르발스 층 구조도 있습니다. 그런 다음 이러한 개별 레이어를 비틀고 변형시키거나 다른 재료 위에 쌓아 재료의 특성을 변경할 수 있습니다.

CeSiI를 만들기 위해 연구진은 세륨 금속, 실리콘, 요오드화 세륨을 결합하고 전체를 고온으로 가열했습니다. 이 절차는 자세히 설명되어 있습니다. 자연, 원하는 물질의 육각형 혈소판을 생성합니다. "우리가 바라던 대로, 우리는 전도 전자가 Ce 원자의 국소 자기 모멘트에 강하게 결합하여 저온에서 유효 질량과 반강자성 질서가 향상된다는 것을 발견했습니다."라고 설명합니다. Roy 연구실의 박사과정 학생인 Victoria Posey 그 자료를 합성한 사람.

주사 터널링 현미경 측정을 사용하여 수행됨 컬럼비아에 있는 Abhay Pasupathy의 연구실, 연구자들은 물질의 스펙트럼이 무거운 페르미온의 특징이라는 것을 발견했습니다. 그들은 광전자 방출 분광학 측정을 통해 이러한 결과를 뒷받침했습니다. Brookhaven 국립 연구소, 전자 수송 측정 하버드 대학교 그리고 자기 측정 국립 높은 자기장 실험실 플로리다에서. 그들은 또한 컬럼비아의 이론가 그룹과 함께 일했습니다. 플랫아이언 연구소Walk Through California 프로그램, 독일 막스플랑크 연구소, 스웨덴의 웁살라 대학 그리고 스페인 산세바스티안에 있는 두 기관은 그들의 관찰을 설명하기 위한 이론적 틀을 개발했습니다.

팀 구성원 마이클 지벨 2D 재료의 새로운 특성을 엔지니어링하려는 Columbia, Brookhaven 및 Flatiron Institute의 공동 노력 덕분에 결과가 부분적으로 가능했다고 설명합니다. "우리가 극복해야 했던 주요 과제 중 하나는 재료의 공기 민감도였습니다. 이는 실험실에서 샘플을 처리하는 새로운 방법을 개발해야 함을 의미했습니다."라고 Ziebel은 말합니다. "더 광범위하게 말하면 무거운 페르미온의 존재 자체를 확립하는 것은 매우 어려울 수 있습니다. '스모킹 건' 측정 방법은 없습니다."

연구진은 이제 CeSiI의 세륨, 실리콘 또는 요오드 위치에 다른 원자를 대체하여 자기 질서를 억제하고 새로운 전자 바닥 상태를 유도할 계획입니다. 그런 다음 재료를 다양한 두께로 박리하여 이러한 화합물에 대한 차원의 영향을 연구하는 것을 목표로 합니다. 동시에 우리는 이 연구에서 사용한 기술을 적용하여 2D 한계에서 CeSiI의 특성을 체계적으로 변경하고 있습니다. 이는 강력한 전자 상호 작용과 낮은 차원성의 결합으로 인해 발생하는 새로운 양자 현상을 유도할 수 있는 것입니다."라고 말했습니다. 로이.

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