Težki fermioni se pojavijo v večplastnem intermetalnem kristalu – Physics World

Težki fermioni se pojavijo v večplastnem intermetalnem kristalu – Physics World

Časovni žig: 8. februar 2024 7

Živo obarvana risanka, ki prikazuje interakcije med elektroni in magnetnimi vrtljaji kot model s kroglico in puščicami
Težki fermioni: V materialih, kot je CeSiI, interakcije med elektroni in magnetnimi vrtljaji dajejo elektronom težjo efektivno maso od običajne. Poleg tega, da je CeSiI težak fermion, je van der Waalsov kristal, ki ga je mogoče luščiti v atomsko tanke plasti. (Z dovoljenjem: Nicoletta Barolini, univerza Columbia)

Elektroni so običajno med najlažjimi osnovnimi delci, toda v tako imenovanih "težkih fermionskih" materialih se gibljejo, kot da bi bili več stokrat masivnejši. Ta nenavadna teža se pojavi zaradi močnih interakcij med prevodnimi elektroni in lokaliziranimi magnetnimi momenti v materialu in domneva se, da igra pomembno vlogo pri obnašanju visokotemperaturnih ali "nekonvencionalnih" superprevodnikov.

Raziskovalci v ZDA, na Švedskem, v Španiji in Nemčiji so zdaj sintetizirali nov dvodimenzionalni težek fermionski material iz večplastnega intermetalnega kristala iz cerija, silicija in joda (CeSiI). Novi material bi lahko znanstvenikom dal nove priložnosti za preučevanje interakcij, ki povzročajo slabo razumljeno vedenje, kot je nekonvencionalna superprevodnost in s tem povezani kvantni pojavi.

"Običajno so ti težki fermionski materiali intermetalne strukture z močno vezjo v treh dimenzijah, vendar je že nekaj časa znano, da lahko zaradi dvodimenzionalnih materialov pomaga spodbujati nekonvencionalno superprevodnost, ki se pojavlja v nekaterih težkih fermionskih spojinah," pojasnjuje. Xavier Roy, kemik pri Univerza Columbia v ZDA, ki je vodil novo študijo. "Identificirali smo težke fermione v van der Waalsovem slojevitem materialu CeSiI, ki vsebuje močno vez v dveh dimenzijah, vendar je v tretji le šibko držan skupaj."

Prevodni elektroni se močno povezujejo z lokalnimi magnetnimi momenti

Raziskovalci so se odločili za študij CeSiI, ki je bil prvič sintetiziran leta 1998, po iskanju kristalografskih baz podatkov za materiale, ki bi lahko gostili te močne interakcije (znane kot interakcije Kondo). Zlasti so želeli združiti tri ključne elemente: atome cerija, ki zagotavljajo lokalni magnetni moment; kovinska prevodnost, ki zagotavlja prisotnost nosilcev naboja; in van der Waalsovo večplastno strukturo, ki bi jim omogočila luščenje (odluščenje) tankih plasti materiala debeline le nekaj atomov. Te posamezne plasti je mogoče nato zviti in napeti ali zložiti na druge materiale, da se spremenijo lastnosti materiala.

Za izdelavo CeSiI so raziskovalci združili kovinski cerij, silicij in cerijev jodid ter segreli ansambel na visoko temperaturo. Ta postopek, ki ga podrobno opisujejo v Narava, ustvari heksagonalne ploščice želenega materiala. "Kot smo upali, smo ugotovili, da se prevodni elektroni močno povezujejo z lokalnimi magnetnimi momenti na atomih Ce, kar ima za posledico izboljšano efektivno maso in antiferomagnetni red pri nizki temperaturi," pojasnjuje. Victoria Posey, doktorska študentka v Royevem laboratoriju ki je sintetiziral material.

Z uporabo meritev vrstične tunelske mikroskopije, izvedenih v Laboratorij Abhaya Pasupathyja na Columbii, so raziskovalci ugotovili, da je spekter materiala značilen za težke fermione. Te rezultate so podprli z meritvami fotoemisijske spektroskopije na Nacionalni laboratorij Brookhaven, meritve transporta elektronov pri Harvard University in magnetne meritve pri Nacionalni laboratorij za visoko magnetno polje na Floridi. Sodelovali so tudi s skupino teoretikov na Columbii, inštitut Flatironje Max Planck Institute v Nemčiji, Švedska Univerza v Uppsali in dve ustanovi v San Sebastiánu v Španiji, da bi razvili teoretični okvir za razlago svojih opažanj.

Član ekipe Michael Ziebel pojasnjuje, da je bil rezultat mogoč deloma zaradi skupnega prizadevanja Columbie, Brookhaven in Flatiron Institute za inženiring novih lastnosti v 2D materialih. »Eden glavnih izzivov, ki smo ga morali premagati, je bila občutljivost materiala na zrak, kar je pomenilo, da smo morali razviti nove načine za ravnanje z vzorci v našem laboratoriju,« pravi Ziebel. "Širše gledano, ugotavljanje prisotnosti samih težkih fermionov je lahko precej zahtevno - ni meritev, ki se kadijo."

Raziskovalci zdaj načrtujejo zamenjavo različnih atomov na mestih cerija, silicija ali joda v CeSiI, da bi poskušali zatreti njegov magnetni red in inducirati nova elektronska osnovna stanja. Nato z luščenjem materiala na različne debeline želijo preučiti učinke dimenzionalnosti na te spojine. "Vzporedno uporabljamo tehnike, ki smo jih uporabili pri tem delu, da bi sistematično spremenili lastnosti CeSiI na meji 2D, kar bo, upajmo, sprožilo nove kvantne pojave, ki izhajajo iz kombinacije močnih elektronskih interakcij in nizke dimenzionalnosti," pravi. Roy.

Časovni žig:

Več od Svet fizike