Ciężkie fermiony pojawiają się w warstwowym krysztale międzymetalicznym – Świat Fizyki

Ciężkie fermiony pojawiają się w warstwowym krysztale międzymetalicznym – Świat Fizyki

Znacznik czasu: 8 lutego 2024 r. 7:00

Kolorowy rysunek przedstawiający interakcje między elektronami i spinami magnetycznymi jako model kuli i strzałek
Ciężkie fermiony: W materiałach takich jak CeSiI interakcje między elektronami i spinami magnetycznymi nadają elektronom większą niż zwykle masę efektywną. CeSiI jest nie tylko ciężkim fermionem, ale także kryształem van der Waalsa, który można rozbić na atomowo cienkie warstwy. (Dzięki uprzejmości: Nicoletta Barolini, Uniwersytet Columbia)

Elektrony należą zwykle do najlżejszych cząstek elementarnych, ale w tak zwanych „ciężkich materiałach fermionowych” poruszają się tak, jakby były setki razy masywniejsze. Ta niezwykła ciężkość wynika z silnych interakcji między przewodzącymi elektronami i zlokalizowanymi momentami magnetycznymi w materiale i uważa się, że odgrywa ona ważną rolę w zachowaniu wysokotemperaturowych lub „niekonwencjonalnych” nadprzewodników.

Naukowcy ze Stanów Zjednoczonych, Szwecji, Hiszpanii i Niemiec zsyntetyzowali obecnie nowy dwuwymiarowy ciężki materiał fermionowy z warstwowego kryształu międzymetalicznego wykonanego z ceru, krzemu i jodu (CeSiI). Nowy materiał może dać naukowcom nowe możliwości badania interakcji powodujących słabo poznane zachowania, takie jak niekonwencjonalne nadprzewodnictwo i powiązane zjawiska kwantowe.

„Zazwyczaj te ciężkie materiały fermionowe są strukturami międzymetalicznymi z silnymi wiązaniami w trzech wymiarach, ale od pewnego czasu wiadomo, że nadanie tym materiałom bardziej dwuwymiarowego charakteru może pomóc w promowaniu niekonwencjonalnego nadprzewodnictwa, które pojawia się w niektórych związkach ciężkich fermionów” – wyjaśnia. Ksawery Roy, chemik w Columbia University w USA, który kierował nowym badaniem. „Zidentyfikowaliśmy ciężkie fermiony w warstwowym materiale van der Waalsa CeSiI, który zawiera silne wiązania w dwóch wymiarach, ale jest słabo spajany w trzecim”.

Elektrony przewodnictwa silnie łączą się z lokalnymi momentami magnetycznymi

Naukowcy zdecydowali się zbadać CeSiI, który został po raz pierwszy zsyntetyzowany w 1998 r., po przeszukaniu krystalograficznych baz danych w poszukiwaniu materiałów, w których mogą zachodzić te silne oddziaływania (znane jako oddziaływania Kondo). W szczególności zależało im na połączeniu trzech kluczowych pierwiastków: atomów ceru, które zapewniają lokalny moment magnetyczny; przewodność metaliczna, która zapewnia obecność nośników ładunku; oraz warstwową strukturę van der Waalsa, która umożliwiłaby im złuszczanie (odrywanie) cienkich warstw materiału o grubości zaledwie kilku atomów. Te pojedyncze warstwy można następnie skręcić i naprężyć lub ułożyć na wierzchu innych materiałów, aby zmienić właściwości materiału.

Aby wytworzyć CeSiI, badacze połączyli cer metaliczny, krzem i jodek ceru, a następnie podgrzali całość do wysokiej temperatury. Ta procedura, którą szczegółowo opisują Natura, generuje sześciokątne płytki pożądanego materiału. „Tak jak mieliśmy nadzieję, odkryliśmy, że elektrony przewodnictwa silnie łączą się z lokalnymi momentami magnetycznymi na atomach Ce, co skutkuje zwiększoną masą efektywną i porządkiem antyferromagnetycznym w niskiej temperaturze” – wyjaśnia Victoria Posey, doktorantka w laboratorium Roya który zsyntetyzował materiał.

Korzystając z pomiarów skaningowej mikroskopii tunelowej wykonanych w Laboratorium Abhay Pasupathy w Kolumbiinaukowcy odkryli, że widmo materiału jest charakterystyczne dla ciężkich fermionów. Poparli te wyniki pomiarami spektroskopii fotoemisyjnej w laboratorium Laboratorium Narodowe w Brookhaven, pomiary transportu elektronów w godz Harvard University i pomiary magnetyczne na ul National High Magnetic Field Laboratory na Florydzie. Pracowali także z grupą teoretyków z Columbii, Instytutu FlatironThe Instytut Maxa Plancka w Niemczech, Szwecja Uniwersytet w Uppsali oraz dwie instytucje w San Sebastián w Hiszpanii w celu opracowania ram teoretycznych wyjaśniających ich obserwacje.

Członek zespołu Michał Ziebel wyjaśnia, że ​​osiągnięcie takiego wyniku było możliwe częściowo dzięki wspólnemu wysiłkowi firm Columbia, Brookhaven i Flatiron Institute w celu opracowania nowych właściwości materiałów 2D. „Jednym z głównych wyzwań, jakie musieliśmy pokonać, była wrażliwość materiału na powietrze, co oznaczało, że musieliśmy opracować nowe sposoby postępowania z próbkami w naszym laboratorium” – mówi Ziebel. „Mówiąc szerzej, ustalenie obecności samych ciężkich fermionów może być dość trudne – nie ma pomiaru „dymiącego pistoletu”.”

Naukowcy planują teraz zastąpić różnymi atomami miejsca ceru, krzemu lub jodu w CeSiI, aby spróbować stłumić jego porządek magnetyczny i wywołać nowe elektroniczne stany podstawowe. Następnie, złuszczając materiał do różnych grubości, mają na celu zbadanie wpływu wymiarowości na te związki. „Równolegle stosujemy techniki, których użyliśmy w tej pracy, aby systematycznie zmieniać właściwości CeSiI na granicy 2D, co, miejmy nadzieję, zaindukuje nowe zjawiska kwantowe wynikające z połączenia silnych interakcji elektronowych i niskiej wymiarowości” – mówi Roy.

Znak czasu:

Więcej z Świat Fizyki