Zware fermionen verschijnen in een gelaagd intermetallisch kristal – Physics World

Zware fermionen verschijnen in een gelaagd intermetallisch kristal – Physics World

Tijdstempel: 8 februari 2024 7:00 uur

Felgekleurde cartoon die de interacties tussen elektronen en magnetische spins toont als een bal-en-pijlmodel
Zware fermionen: In materialen zoals CeSiI geven interacties tussen elektronen en magnetische spins de elektronen een zwaardere dan gebruikelijke effectieve massa. CeSiI is niet alleen een zwaar fermion, maar ook een van der Waals-kristal dat in atomair dunne lagen kan worden afgepeld. (Met dank aan Nicoletta Barolini, Columbia University)

Elektronen behoren normaal gesproken tot de lichtste fundamentele deeltjes, maar in zogenaamde ‘zware fermion’-materialen bewegen ze alsof ze honderden keren massiever zijn. Deze ongebruikelijke zwaarte ontstaat als gevolg van sterke interacties tussen geleidende elektronen en gelokaliseerde magnetische momenten in het materiaal, en er wordt aangenomen dat het een belangrijke rol speelt in het gedrag van hoge temperatuur of ‘onconventionele’ supergeleiders.

Onderzoekers in de VS, Zweden, Spanje en Duitsland hebben nu een nieuw tweedimensionaal zwaar fermionmateriaal gesynthetiseerd uit een gelaagd intermetallisch kristal gemaakt van cerium, silicium en jodium (CeSiI). Het nieuwe materiaal zou wetenschappers nieuwe mogelijkheden kunnen bieden om de interacties te bestuderen die aanleiding geven tot slecht begrepen gedrag, zoals onconventionele supergeleiding en gerelateerde kwantumfenomenen.

“Normaal gesproken zijn deze zware fermionmaterialen intermetallische structuren met sterke driedimensionale bindingen, maar het is al een tijdje bekend dat het meer tweedimensionaal maken van deze materialen kan helpen de onconventionele supergeleiding te bevorderen die in sommige zware fermionverbindingen voorkomt”, legt hij uit. Xavier Roy, een chemicus bij Columbia University in de VS die de nieuwe studie leidde. “We hebben zware fermionen geïdentificeerd in het van der Waals-gelaagde materiaal CeSiI, dat sterke bindingen bevat in twee dimensies, maar slechts zwak bij elkaar wordt gehouden in de derde.”

Geleidingselektronen koppelen sterk aan lokale magnetische momenten

De onderzoekers kozen ervoor om CeSiI, dat voor het eerst werd gesynthetiseerd in 1998, te bestuderen, nadat ze in kristallografische databases hadden gezocht naar materialen die deze sterke interacties zouden kunnen herbergen (bekend als Kondo-interacties). In het bijzonder wilden ze drie sleutelelementen combineren: ceriumatomen, die voor een lokaal magnetisch moment zorgen; metallische geleidbaarheid, die de aanwezigheid van ladingsdragers garandeert; en een van der Waals-gelaagde structuur waarmee ze dunne lagen van het materiaal van slechts een paar atomen dik konden exfoliëren (afpellen). Deze individuele lagen kunnen vervolgens worden gedraaid en gespannen, of op andere materialen worden gestapeld, om de eigenschappen van het materiaal te veranderen.

Om CeSiI te maken, combineerden de onderzoekers ceriummetaal, silicium en ceriumjodide en verhitten het geheel tot hoge temperatuur. Deze procedure, waarin zij gedetailleerd ingaan NATUUR, genereert hexagonale bloedplaatjes van het gewenste materiaal. “Net zoals we hadden gehoopt, ontdekken we dat de geleidingselektronen sterk koppelen aan de lokale magnetische momenten op de Ce-atomen, wat resulteert in een verbeterde effectieve massa en antiferromagnetische orde bij lage temperaturen”, legt hij uit. Victoria Posey, een promovendus in het laboratorium van Roy die het materiaal synthetiseerde.

Met behulp van scanning tunneling microscopie worden metingen uitgevoerd in Abhay Pasupathy's laboratorium in Columbiaontdekten de onderzoekers dat het spectrum van het materiaal kenmerkend is voor zware fermionen. Ze ondersteunden deze resultaten met foto-emissiespectroscopiemetingen bij de Brookhaven National Laboratory, elektronentransportmetingen bij Harvard University en magnetische metingen aan de Nationaal laboratorium voor hoog magnetisch veld in Florida. Ze werkten ook samen met een groep theoretici in Columbia, het Flatiron Instituut Max Planck Instituut in Duitsland, Zweden Uppsala University en twee instellingen in San Sebastián, Spanje, om een ​​theoretisch raamwerk te ontwikkelen om hun observaties te verklaren.

Teamlid Michaël Ziebel legt uit dat het resultaat gedeeltelijk mogelijk was dankzij een gezamenlijke inspanning van Columbia, Brookhaven en het Flatiron Institute om nieuwe eigenschappen in 2D-materialen te ontwikkelen. “Een grote uitdaging die we moesten overwinnen was de luchtgevoeligheid van het materiaal, wat betekende dat we nieuwe manieren moesten ontwikkelen om met monsters in ons laboratorium om te gaan”, zegt Ziebel. "Meer in het algemeen kan het vaststellen van de aanwezigheid van zware fermionen zelf een behoorlijke uitdaging zijn - er is geen 'rokende pistool'-meting."

De onderzoekers zijn nu van plan om verschillende atomen te vervangen in de cerium-, silicium- of jodiumlocaties in CeSiI om te proberen de magnetische orde ervan te onderdrukken en nieuwe elektronische grondtoestanden te induceren. Vervolgens willen ze, door het materiaal tot verschillende diktes te exfoliëren, de effecten van dimensionaliteit op deze verbindingen bestuderen. “Tegelijkertijd passen we de technieken toe die we in dit werk hebben gebruikt om de eigenschappen van CeSiI op de 2D-limiet systematisch te veranderen, iets dat hopelijk nieuwe kwantumfenomenen zal veroorzaken die voortkomen uit de combinatie van sterke elektronische interacties en lage dimensionaliteit”, zegt Roy.

Tijdstempel:

Meer van Natuurkunde wereld