Тяжелые фермионы появляются в слоистом интерметаллическом кристалле

Тяжелые фермионы появляются в слоистом интерметаллическом кристалле

Отметка времени: 8 февраля 2024 г., 7:00 AM

Яркий мультфильм, показывающий взаимодействие между электронами и магнитными спинами в виде модели шарика и стрелок.
Тяжелые фермионы. В таких материалах, как CeSiI, взаимодействие между электронами и магнитными спинами придает электронам более тяжелую, чем обычно, эффективную массу. Помимо того, что CeSiI является тяжелым фермионом, он представляет собой кристалл Ван-дер-Ваальса, который можно разделить на атомарно тонкие слои. (Фото любезно предоставлено Николеттой Баролини, Колумбийский университет)

Электроны обычно относятся к числу самых легких фундаментальных частиц, но в так называемых «тяжелых фермионных» материалах они движутся так, как если бы они были в сотни раз массивнее. Эта необычная тяжесть возникает из-за сильных взаимодействий между проводящими электронами и локализованными магнитными моментами в материале, и считается, что она играет важную роль в поведении высокотемпературных или «нетрадиционных» сверхпроводников.

Исследователи из США, Швеции, Испании и Германии синтезировали новый двумерный материал тяжелых фермионов из слоистого интерметаллического кристалла, состоящего из церия, кремния и йода (CeSiI). Новый материал может дать ученым новые возможности для изучения взаимодействий, которые приводят к плохо изученному поведению, такому как нетрадиционная сверхпроводимость и связанные с ней квантовые явления.

«Обычно эти материалы с тяжелыми фермионами представляют собой интерметаллические структуры с прочными трехмерными связями, но уже давно известно, что создание более двумерных материалов может способствовать развитию нетрадиционной сверхпроводимости, которая проявляется в некоторых соединениях с тяжелыми фермионами», — объясняет Ксавье Рой, химик в Колумбийский университет в США, который возглавил новое исследование. «Мы идентифицировали тяжелые фермионы в слоистом материале Ван-дер-Ваальса CeSiI, который содержит прочные связи в двух измерениях, но лишь слабо удерживается вместе в третьем».

Электроны проводимости сильно взаимодействуют с локальными магнитными моментами.

Исследователи решили изучить CeSiI, который был впервые синтезирован в 1998 году, после поиска в кристаллографических базах данных материалов, которые могут содержать эти сильные взаимодействия (известные как взаимодействия Кондо). В частности, они стремились объединить три ключевых элемента: атомы церия, обеспечивающие локальный магнитный момент; металлическая проводимость, обеспечивающая наличие носителей заряда; и слоистая структура Ван-дер-Ваальса, которая позволит им отслаивать (отслаивать) тонкие слои материала толщиной всего в несколько атомов. Эти отдельные слои затем можно скручивать и растягивать или накладывать поверх других материалов, чтобы изменить свойства материала.

Чтобы создать CeSiI, исследователи объединили металлический церий, кремний и йодид церия и нагрели ансамбль до высокой температуры. Эта процедура, которую они подробно описывают в природа, генерирует гексагональные пластинки желаемого материала. «Как мы и надеялись, мы обнаружили, что электроны проводимости сильно взаимодействуют с локальными магнитными моментами атомов Се, что приводит к увеличению эффективной массы и антиферромагнитному порядку при низкой температуре», — объясняет Виктория Поузи, аспирант лаборатории Роя кто синтезировал материал.

Используя измерения сканирующей туннельной микроскопии, выполненные в Лаборатория Абхая Пасупати в Колумбии.Исследователи обнаружили, что спектр материала характерен для тяжелых фермионов. Они подкрепили эти результаты измерениями фотоэмиссионной спектроскопии в Брукхейвенская национальная лаборатория, измерения электронного транспорта на Гарвардский университет и магнитные измерения на Национальная лаборатория сильного магнитного поля в штате Флорида. Они также работали с группой теоретиков из Колумбийского университета. Институт Флэтайрон, Институт Макса Планка в Германии, Швеция университет Упсала и два института в Сан-Себастьяне, Испания, для разработки теоретической основы для объяснения своих наблюдений.

Участник команды Майкл Зибель объясняет, что такой результат стал возможен отчасти благодаря коллективным усилиям Колумбии, Брукхейвена и Института Флэтайрона по разработке новых свойств 2D-материалов. «Одной из основных проблем, которую нам пришлось преодолеть, была чувствительность материала к воздуху, а это означало, что нам пришлось разработать новые способы обращения с образцами в нашей лаборатории», — говорит Зибель. «В более широком смысле, установление присутствия самих тяжелых фермионов может быть довольно сложной задачей – не существует «дымящегося пистолета»».

Теперь исследователи планируют заменить различные атомы на позиции церия, кремния или йода в CeSiI, чтобы попытаться подавить его магнитный порядок и создать новые основные электронные состояния. Затем, расслаивая материал до разной толщины, они стремятся изучить влияние размерности на эти соединения. «Параллельно мы применяем методы, которые мы использовали в этой работе, для систематического изменения свойств CeSiI на 2D-пределе, что, как мы надеемся, приведет к новым квантовым явлениям, возникающим в результате сочетания сильных электронных взаимодействий и низкой размерности», — говорит Рой.

Отметка времени:

Больше от Мир физики