เฟอร์มิออนหนักปรากฏในคริสตัลอินเตอร์เมทัลลิกแบบชั้น – Physics World

เฟอร์มิออนหนักปรากฏในคริสตัลอินเตอร์เมทัลลิกแบบชั้น – Physics World

Time Stamp: 8 กุมภาพันธ์ 2024 7:00 น.

การ์ตูนสีสันสดใสแสดงปฏิสัมพันธ์ระหว่างอิเล็กตรอนกับการหมุนของแม่เหล็กในรูปแบบลูกบอลและลูกศร
เฟอร์มิออนหนัก: ในวัสดุเช่น CeSiI ปฏิกิริยาระหว่างอิเล็กตรอนและการหมุนของแม่เหล็กทำให้อิเล็กตรอนมีมวลประสิทธิผลที่หนักกว่าปกติ นอกจากจะเป็นเฟอร์เมียนที่มีน้ำหนักมากแล้ว CeSiI ยังเป็นคริสตัล van der Waals ที่สามารถลอกเป็นชั้นบางๆ ของอะตอมได้ (เอื้อเฟื้อโดย: Nicoletta Barolini จากมหาวิทยาลัยโคลัมเบีย)

โดยปกติอิเล็กตรอนจะเป็นอนุภาคมูลฐานที่เบาที่สุด แต่ในสิ่งที่เรียกว่า "เฟอร์เมียนหนัก" พวกมันจะเคลื่อนที่ราวกับว่าพวกมันมีมวลมากกว่าหลายร้อยเท่า ความหนักผิดปกตินี้เกิดขึ้นเนื่องจากปฏิสัมพันธ์ที่รุนแรงระหว่างการนำอิเล็กตรอนและโมเมนต์แม่เหล็กที่มีการแปลในวัสดุ และคิดว่ามีบทบาทสำคัญในพฤติกรรมของตัวนำยิ่งยวดที่มีอุณหภูมิสูงหรือ "แหวกแนว"

นักวิจัยในสหรัฐอเมริกา สวีเดน สเปน และเยอรมนีได้สังเคราะห์วัสดุเฟอร์เมียนหนักสองมิติใหม่จากคริสตัลอินเทอร์เมทัลลิกหลายชั้นที่ทำจากซีเรียม ซิลิคอน และไอโอดีน (CeSiI) วัสดุใหม่นี้สามารถให้โอกาสแก่นักวิทยาศาสตร์ในการศึกษาปฏิสัมพันธ์ที่ก่อให้เกิดพฤติกรรมที่เข้าใจได้ไม่ดี เช่น ความเป็นตัวนำยิ่งยวดที่แหวกแนวและปรากฏการณ์ควอนตัมที่เกี่ยวข้อง

“โดยทั่วไปแล้ว วัสดุเฟอร์เมียนที่มีน้ำหนักมากเหล่านี้เป็นโครงสร้างระหว่างโลหะที่มีการยึดเกาะอย่างแน่นหนาในสามมิติ แต่เป็นที่ทราบกันมานานแล้วว่าการทำให้วัสดุเหล่านี้เป็นสองมิติมากขึ้น สามารถช่วยส่งเสริมการนำยิ่งยวดที่แหวกแนวซึ่งปรากฏในสารประกอบเฟอร์เมียนหนักบางชนิด” อธิบาย ซาเวียร์ รอย,นักเคมีที่ มหาวิทยาลัยโคลัมเบีย ในสหรัฐอเมริกาซึ่งเป็นผู้นำการศึกษาครั้งใหม่นี้ “เราได้ระบุเฟอร์มิออนหนักในวัสดุ CeSiI ชั้น van der Waals ซึ่งมีพันธะที่แข็งแกร่งในสองมิติ แต่จะยึดติดกันอย่างอ่อนเท่านั้นในชั้นที่สาม”

การนำอิเล็กตรอนจับคู่กับโมเมนต์แม่เหล็กในท้องถิ่นอย่างแรง

นักวิจัยเลือกที่จะศึกษา CeSiI ซึ่งได้รับการสังเคราะห์ครั้งแรกในปี 1998 หลังจากค้นหาฐานข้อมูลทางผลึกศาสตร์เพื่อหาวัสดุที่อาจเป็นแหล่งปฏิสัมพันธ์ที่รุนแรงเหล่านี้ (เรียกว่าปฏิสัมพันธ์ของ Kondo) โดยเฉพาะอย่างยิ่ง พวกเขามุ่งที่จะรวมองค์ประกอบสำคัญ XNUMX ประการเข้าด้วยกัน ได้แก่ อะตอมของซีเรียมซึ่งให้โมเมนต์แม่เหล็กในท้องถิ่น การนำไฟฟ้าของโลหะซึ่งช่วยให้มั่นใจว่ามีตัวพาประจุอยู่ และโครงสร้างแบบชั้น van der Waals ที่ช่วยให้สามารถขัด (ลอกออก) ชั้นบาง ๆ ของวัสดุที่มีความหนาเพียงไม่กี่อะตอมได้ แต่ละชั้นเหล่านี้สามารถบิดและตึง หรือวางซ้อนบนวัสดุอื่นๆ เพื่อเปลี่ยนคุณสมบัติของวัสดุ

ในการสร้าง CeSiI นักวิจัยได้รวมโลหะซีเรียม ซิลิคอน และซีเรียมไอโอไดด์เข้าด้วยกัน และให้ความร้อนแก่ชิ้นส่วนทั้งหมดให้มีอุณหภูมิสูง ขั้นตอนนี้ ซึ่งมีรายละเอียดอยู่ในนั้น ธรรมชาติ,สร้างเกล็ดเลือดหกเหลี่ยมของวัสดุที่ต้องการ “ดังที่เราหวังไว้ เราพบว่าการนำอิเล็กตรอนจับคู่อย่างแรงกับโมเมนต์แม่เหล็กเฉพาะที่บนอะตอม Ce ซึ่งส่งผลให้มวลมีประสิทธิผลเพิ่มขึ้นและลำดับการต้านแม่เหล็กไฟฟ้าที่อุณหภูมิต่ำ” อธิบาย Victoria Posey นักศึกษาปริญญาเอกในห้องทดลองของ Roy ซึ่งเป็นผู้สังเคราะห์วัสดุ

ใช้การตรวจวัดด้วยกล้องจุลทรรศน์แบบอุโมงค์สแกน ห้องทดลองของอภัย ปาสุปาธี ที่โคลัมเบียนักวิจัยพบว่าสเปกตรัมของวัสดุเป็นลักษณะของเฟอร์มิออนหนัก พวกเขาสนับสนุนผลลัพธ์เหล่านี้ด้วยการวัดสเปกตรัมการปล่อยแสงที่ ห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Brookhaven,การตรวจวัดการขนส่งอิเล็กตรอนที่ มหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ และการวัดสนามแม่เหล็กที่ ห้องปฏิบัติการสนามแม่เหล็กแห่งชาติสูง ในฟลอริดา พวกเขายังทำงานร่วมกับกลุ่มนักทฤษฎีที่โคลัมเบียด้วย สถาบันแฟลตไอรอนที่ สถาบันมักซ์พลังค์ในประเทศเยอรมนี,สวีเดน มหาวิทยาลัยอัปซาลา และสองสถาบันในเมืองซานเซบาสเตียน ประเทศสเปน เพื่อพัฒนากรอบทางทฤษฎีเพื่ออธิบายข้อสังเกตของพวกเขา

สมาชิกในทีม ไมเคิล ซีเบล อธิบายว่าผลลัพธ์ที่ได้นั้นเป็นไปได้ ส่วนหนึ่งเป็นเพราะความพยายามร่วมกันของ Columbia, Brookhaven และสถาบัน Flatiron Institute ในการออกแบบคุณสมบัติใหม่ในวัสดุ 2 มิติ “ความท้าทายสำคัญอย่างหนึ่งที่เราต้องเอาชนะคือความไวต่ออากาศของวัสดุ ซึ่งหมายความว่าเราต้องพัฒนาวิธีใหม่ในการจัดการตัวอย่างในห้องปฏิบัติการของเรา” Ziebel กล่าว “ถ้าพูดกว้างกว่านั้น การสร้างเฟอร์มิออนที่มีน้ำหนักมากด้วยตัวเองนั้นค่อนข้างท้าทาย เนื่องจากไม่มีการวัดแบบ 'ปืนควัน'”

ขณะนี้นักวิจัยวางแผนที่จะแทนที่อะตอมต่างๆ ลงในตำแหน่งซีเรียม ซิลิคอน หรือไอโอดีนใน CeSiI เพื่อพยายามระงับลำดับแม่เหล็กและทำให้เกิดสถานะพื้นอิเล็กทรอนิกส์ใหม่ จากนั้น โดยการขัดผิววัสดุให้มีความหนาต่างกัน จึงมีจุดมุ่งหมายเพื่อศึกษาผลกระทบของมิติที่มีต่อสารประกอบเหล่านี้ "ในแบบคู่ขนาน เรากำลังใช้เทคนิคที่เราใช้ในงานนี้เพื่อปรับเปลี่ยนคุณสมบัติของ CeSiI ที่ขีดจำกัด 2D อย่างเป็นระบบ ซึ่งหวังว่าจะทำให้เกิดปรากฏการณ์ควอนตัมใหม่ที่เกิดจากการรวมกันของปฏิสัมพันธ์ทางอิเล็กทรอนิกส์ที่รุนแรงและมิติที่ต่ำ" กล่าว รอย.

ประทับเวลา:

เพิ่มเติมจาก โลกฟิสิกส์

ฟิสิกส์ของพืชเหยือกที่กินเนื้อเป็นอาหาร ภารกิจเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ที่กล้าหาญในเวียดนามที่เสียหายจากสงคราม – Physics World

คลัสเตอร์ต้นทาง:
โหนดต้นทาง: 1886899
ประทับเวลา: กันยายน 8, 2023