Férmions pesados ​​aparecem em um cristal intermetálico em camadas – Physics World

Os elétrons estão normalmente entre as partículas fundamentais mais leves, mas nos chamados materiais “férmions pesados”, eles se movem como se fossem centenas de vezes mais massivos. Este peso incomum ocorre devido a fortes interações entre elétrons condutores e momentos magnéticos localizados no material, e acredita-se que desempenhe um papel importante no comportamento de supercondutores de alta temperatura ou “não convencionais”.

Pesquisadores nos EUA, Suécia, Espanha e Alemanha sintetizaram agora um novo material bidimensional de férmions pesados ​​a partir de um cristal intermetálico em camadas feito de cério, silício e iodo (CeSiI). O novo material poderá dar aos cientistas novas oportunidades para estudar as interações que dão origem a comportamentos pouco compreendidos, como a supercondutividade não convencional e fenómenos quânticos relacionados.

“Normalmente, esses materiais de férmions pesados ​​são estruturas intermetálicas com forte ligação em três dimensões, mas já se sabe há algum tempo que tornar esses materiais mais bidimensionais pode ajudar a promover a supercondutividade não convencional que aparece em alguns compostos de férmions pesados”, explica. Xavier Roy, um químico da Universidade de Columbia nos EUA que liderou o novo estudo. “Identificamos férmions pesados ​​no material em camadas de van der Waals CeSiI, que contém ligação forte em duas dimensões, mas é apenas fracamente mantido unido na terceira.”

Os elétrons de condução acoplam-se fortemente aos momentos magnéticos locais

Os pesquisadores optaram por estudar o CeSiI, sintetizado pela primeira vez em 1998, após pesquisar em bancos de dados cristalográficos materiais que pudessem hospedar essas interações fortes (conhecidas como interações de Kondo). Em particular, pretendiam combinar três elementos-chave: átomos de cério, que proporcionam um momento magnético local; condutividade metálica, que garante a presença de portadores de carga; e uma estrutura em camadas de van der Waals que lhes permitiria esfoliar (retirar) camadas finas do material com apenas alguns átomos de espessura. Estas camadas individuais podem então ser torcidas e tensas, ou empilhadas sobre outros materiais, para alterar as propriedades do material.

Para fazer CeSiI, os pesquisadores combinaram cério metálico, silício e iodeto de cério e aqueceram o conjunto a alta temperatura. Este procedimento, que eles detalham em Natureza, gera plaquetas hexagonais do material desejado. “Exatamente como esperávamos, descobrimos que os elétrons de condução se acoplam fortemente aos momentos magnéticos locais nos átomos de Ce, o que resulta em maior massa efetiva e ordem antiferromagnética em baixa temperatura”, explica Victoria Posey, uma estudante de doutorado no laboratório de Roy quem sintetizou o material.

Usando medições de microscopia de varredura por tunelamento realizadas em Laboratório de Abhay Pasupathy em Columbia, os pesquisadores descobriram que o espectro do material é característico de férmions pesados. Eles apoiaram esses resultados com medições de espectroscopia de fotoemissão no Laboratório Nacional Brookhaven, medições de transporte de elétrons em Universidade de Harvard e medições magnéticas no Laboratório Nacional de Alto Campo Magnético na Flórida. Eles também trabalharam com um grupo de teóricos da Columbia, o Instituto Flatiron, Instituto Max Planck na Alemanha, da Suécia Universidade de Uppsala e duas instituições em San Sebastián, Espanha, para desenvolver um quadro teórico para explicar as suas observações.

Supercondutor não convencional é ainda mais estranho do que o esperado

Membro da equipe Michael Ziebel explica que o resultado foi possível, em parte, devido a um esforço coletivo da Columbia, Brookhaven e do Flatiron Institute para projetar novas propriedades em materiais 2D. “Um grande desafio que tivemos que superar foi a sensibilidade do material ao ar, o que significou que tivemos que desenvolver novas maneiras de lidar com amostras em nosso laboratório”, diz Ziebel. “De forma mais ampla, estabelecer a presença de férmions pesados ​​pode ser bastante desafiador – não existe uma medição definitiva.”

Os pesquisadores agora planejam substituir diferentes átomos nos locais de cério, silício ou iodo no CeSiI para tentar suprimir sua ordem magnética e induzir novos estados eletrônicos fundamentais. Depois, ao esfoliar o material em diferentes espessuras, pretendem estudar os efeitos da dimensionalidade sobre estes compostos. “Paralelamente, estamos aplicando as técnicas que usamos neste trabalho para alterar sistematicamente as propriedades do CeSiI no limite 2D, algo que irá, esperançosamente, induzir novos fenômenos quânticos decorrentes da combinação de fortes interações eletrônicas e baixa dimensionalidade”, diz Roy.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/heavy-fermions-appear-in-a-layered-intermetallic-crystal/