Tunga fermioner visas i en skiktad intermetallisk kristall – Physics World

Tunga fermioner visas i en skiktad intermetallisk kristall – Physics World

Tidsstämpel: 8 februari 2024 7:00

Ljusfärgad tecknad serie som visar interaktioner mellan elektroner och magnetiska snurr som en boll-och-pilmodell
Tunga fermioner: I material som CeSiI ger interaktioner mellan elektroner och magnetiska spinn elektronerna en tyngre än vanligt effektiv massa. Förutom att vara en tung fermion är CeSiI en van der Waals-kristall som kan skalas i atomärt tunna lager. (Med tillstånd: Nicoletta Barolini, Columbia University)

Elektroner är normalt bland de lättaste fundamentala partiklarna, men i så kallade "tunga fermion"-material rör de sig som om de vore hundratals gånger mer massiva. Denna ovanliga tyngd uppstår på grund av stark växelverkan mellan ledande elektroner och lokala magnetiska moment i materialet, och det anses spela en viktig roll i beteendet hos högtemperatur- eller "okonventionella" supraledare.

Forskare i USA, Sverige, Spanien och Tyskland har nu syntetiserat ett nytt tvådimensionellt tungt fermionmaterial från en skiktad intermetallisk kristall gjord av cerium, kisel och jod (CeSiI). Det nya materialet kan ge forskare nya möjligheter att studera de interaktioner som ger upphov till dåligt förstådda beteenden, såsom okonventionell supraledning och relaterade kvantfenomen.

"Typiskt är dessa tunga fermionmaterial intermetalliska strukturer med stark bindning i tre dimensioner, men det har varit känt under en tid att göra dessa material mer tvådimensionella kan bidra till att främja den okonventionella supraledning som uppträder i vissa tunga fermionföreningar," förklarar Xavier Roy, kemist vid Columbia University i USA som ledde den nya studien. "Vi har identifierat tunga fermioner i van der Waals skiktade material CeSiI, som innehåller stark bindning i två dimensioner men bara hålls svagt samman i den tredje."

Ledningselektroner kopplar starkt till lokala magnetiska moment

Forskarna valde att studera CeSiI, som syntetiserades första gången 1998, efter att ha sökt i kristallografiska databaser efter material som kan vara värd för dessa starka interaktioner (känd som Kondo-interaktioner). De syftade särskilt till att kombinera tre nyckelelement: ceriumatomer, som ger ett lokalt magnetiskt moment; metallisk ledningsförmåga, vilket säkerställer närvaron av laddningsbärare; och en van der Waals skiktad struktur som skulle tillåta dem att exfoliera (skala av) tunna lager av materialet bara några atomer tjocka. Dessa individuella lager kan sedan vridas och spännas, eller staplas ovanpå andra material, för att ändra materialets egenskaper.

För att göra CeSiI kombinerade forskarna ceriummetall, kisel och ceriumjodid och värmde upp ensemblen till hög temperatur. Denna procedur, som de detaljerar i Natur, genererar hexagonala blodplättar av det önskade materialet. "Precis som vi hoppades, finner vi att ledningselektronerna kopplar starkt till de lokala magnetiska momenten på Ce-atomerna, vilket resulterar i den förbättrade effektiva massan och antiferromagnetiska ordningen vid låg temperatur," förklarar Victoria Posey, doktorand i Roys labb vem som syntetiserade materialet.

Med hjälp av scanning tunneling mikroskopi mätningar utförda i Abhay Pasupathys labb i Columbia, fann forskarna att materialets spektrum är karakteristiskt för tunga fermioner. De backade upp dessa resultat med fotoemissionsspektroskopimätningar vid Brookhaven National Laboratory, elektrontransportmätningar kl Harvard University och magnetiska mätningar vid National High Magnetic Field Laboratory I florida. De arbetade också med en grupp teoretiker på Columbia, Flatiron Institute, den Max Planck-institutet i Tyskland, Sveriges Uppsala universitet och två institutioner i San Sebastián, Spanien för att utveckla en teoretisk ram för att förklara sina observationer.

Teammedlem Michael Ziebel förklarar att resultatet var möjligt, delvis på grund av en kollektiv ansträngning av Columbia, Brookhaven och Flatiron Institute för att konstruera nya egenskaper i 2D-material. "En stor utmaning vi var tvungna att övervinna var materialets luftkänslighet, vilket innebar att vi var tvungna att utveckla nya sätt att hantera prover i vårt labb", säger Ziebel. "Mer allmänt kan det vara ganska utmanande att fastställa närvaron av tunga fermioner i sig – det finns ingen "smoking gun"-mätning."

Forskarna planerar nu att ersätta olika atomer i cerium-, kisel- eller jodställena i CeSiI för att försöka undertrycka dess magnetiska ordning och inducera nya elektroniska grundtillstånd. Sedan, genom att exfoliera materialet till olika tjocklekar, syftar de till att studera effekterna av dimensionalitet på dessa föreningar. "Parallellt tillämpar vi de tekniker vi använde i detta arbete för att systematiskt ändra egenskaperna hos CeSiI vid 2D-gränsen, något som förhoppningsvis kommer att inducera nya kvantfenomen som uppstår från kombinationen av starka elektroniska interaktioner och låg dimensionalitet", säger Roy.

Tidsstämpel:

Mer från Fysikvärlden