Tunge fermioner vises i en lagdelt intermetallisk krystall – Physics World

Tunge fermioner vises i en lagdelt intermetallisk krystall – Physics World

Tidsstempel: 8. februar 2024 7:00

Fargesterk tegneserie som viser interaksjoner mellom elektroner og magnetiske spinn som en ball-og-piler-modell
Tunge fermioner: I materialer som CeSiI gir interaksjoner mellom elektroner og magnetiske spinn elektronene en tyngre enn vanlig effektiv masse. I tillegg til å være en tung fermion, er CeSiI en van der Waals-krystall som kan skrelles i atomtynne lag. (Med tillatelse: Nicoletta Barolini, Columbia University)

Elektroner er normalt blant de letteste fundamentale partiklene, men i såkalte "tunge fermion"-materialer beveger de seg som om de var hundrevis av ganger mer massive. Denne uvanlige tyngden oppstår på grunn av sterke interaksjoner mellom ledende elektroner og lokaliserte magnetiske momenter i materialet, og det antas å spille en viktig rolle i oppførselen til høytemperatur- eller "ukonvensjonelle" superledere.

Forskere i USA, Sverige, Spania og Tyskland har nå syntetisert et nytt todimensjonalt tungt fermionmateriale fra en lagdelt intermetallisk krystall laget av cerium, silisium og jod (CeSiI). Det nye materialet kan gi forskere nye muligheter til å studere interaksjonene som gir opphav til dårlig forstått atferd som ukonvensjonell superledning og relaterte kvantefenomener.

"Vanligvis er disse tunge fermionmaterialene intermetalliske strukturer med sterk binding i tre dimensjoner, men det har vært kjent i noen tid at å gjøre disse materialene mer todimensjonale kan bidra til å fremme den ukonvensjonelle superledningsevnen som vises i noen tunge fermionforbindelser," forklarer Xavier Roy, en kjemiker ved Columbia University i USA som ledet den nye studien. "Vi har identifisert tunge fermioner i van der Waals lagdelte materiale CeSiI, som inneholder sterk binding i to dimensjoner, men som bare holdes svakt sammen i den tredje."

Ledningselektroner kobles sterkt til lokale magnetiske momenter

Forskerne valgte å studere CeSiI, som først ble syntetisert i 1998, etter å ha søkt i krystallografiske databaser etter materialer som kan være vert for disse sterke interaksjonene (kjent som Kondo-interaksjoner). Spesielt hadde de som mål å kombinere tre nøkkelelementer: ceriumatomer, som gir et lokalt magnetisk moment; metallisk ledningsevne, som sikrer tilstedeværelsen av ladningsbærere; og en van der Waals lagdelt struktur som ville tillate dem å eksfoliere (pelle av) tynne lag av materialet bare noen få atomer tykke. Disse individuelle lagene kan deretter vris og tøyes, eller stables oppå andre materialer, for å endre materialets egenskaper.

For å lage CeSiI kombinerte forskerne ceriummetall, silisium og ceriumjodid og varmet opp ensemblet til høy temperatur. Denne prosedyren, som de detaljerer i Natur, genererer sekskantede blodplater av ønsket materiale. "Akkurat som vi håpet, finner vi at ledningselektronene kobler seg sterkt til de lokale magnetiske momentene på Ce-atomene, noe som resulterer i den forbedrede effektive massen og antiferromagnetiske orden ved lav temperatur," forklarer Victoria Posey, en doktorgradsstudent i Roys laboratorium som har syntetisert materialet.

Ved hjelp av skanningstunnelmikroskopi målinger utført i Abhay Pasupathys laboratorium i Columbia, fant forskerne at materialets spektrum er karakteristisk for tunge fermioner. De støttet disse resultatene med fotoemisjonsspektroskopimålinger ved Brookhaven nasjonale laboratorium, elektrontransportmålinger kl Harvard University og magnetiske målinger ved National High Magnetic Field Laboratory i Florida. De jobbet også med en gruppe teoretikere ved Columbia, Flatiron Instituteden Max Planck-instituttet i Tyskland, Sveriges Uppsala Universitet og to institusjoner i San Sebastián, Spania for å utvikle et teoretisk rammeverk for å forklare deres observasjoner.

Teammedlem Michael Ziebel forklarer at resultatet var mulig, delvis på grunn av en kollektiv innsats fra Columbia, Brookhaven og Flatiron Institute for å konstruere nye egenskaper i 2D-materialer. "En stor utfordring vi måtte overvinne var luftfølsomheten til materialet, noe som betydde at vi måtte utvikle nye måter å håndtere prøver på i laboratoriet vårt," sier Ziebel. "Mer generelt kan det være ganske utfordrende å etablere tilstedeværelsen av tunge fermioner - det er ingen "smoking gun"-måling."

Forskerne planlegger nå å erstatte forskjellige atomer i cerium-, silisium- eller jodstedene i CeSiI for å prøve å undertrykke dens magnetiske orden og indusere nye elektroniske grunntilstander. Deretter, ved å eksfoliere materialet til forskjellige tykkelser, tar de sikte på å studere effekten av dimensjonalitet på disse forbindelsene. "Parallelt bruker vi teknikkene vi brukte i dette arbeidet for å systematisk endre egenskapene til CeSiI ved 2D-grensen, noe som forhåpentligvis vil indusere nye kvantefenomener som oppstår fra kombinasjonen av sterke elektroniske interaksjoner og lav dimensjonalitet," sier Roy.

Tidstempel:

Mer fra Fysikkens verden