Fermion nặng xuất hiện trong tinh thể liên kim loại phân lớp – Thế Giới Vật Lý

Fermion nặng xuất hiện trong tinh thể liên kim loại phân lớp – Thế Giới Vật Lý

Dấu thời gian: ngày 8 tháng 2024 năm 7 00:XNUMX sáng

Phim hoạt hình có màu sắc rực rỡ thể hiện sự tương tác giữa các electron và spin từ tính dưới dạng mô hình quả bóng và mũi tên
Fermion nặng: Trong các vật liệu như CeSiI, tương tác giữa các electron và spin từ mang lại cho các electron một khối lượng hiệu dụng nặng hơn bình thường. Ngoài việc là một fermion nặng, CeSiI còn là một tinh thể van der Waals có thể bóc thành các lớp mỏng cỡ nguyên tử. (Được phép: Nicoletta Barolini, Đại học Columbia)

Electron thường nằm trong số các hạt cơ bản nhẹ nhất, nhưng trong cái gọi là vật liệu “fermion nặng”, chúng chuyển động như thể chúng nặng hơn hàng trăm lần. Độ nặng bất thường này xảy ra do sự tương tác mạnh giữa các electron dẫn điện và mô men từ cục bộ trong vật liệu, và nó được cho là đóng một vai trò quan trọng trong hoạt động của các chất siêu dẫn nhiệt độ cao hoặc “độc đáo”.

Các nhà nghiên cứu ở Mỹ, Thụy Điển, Tây Ban Nha và Đức hiện đã tổng hợp được một chất liệu fermion nặng hai chiều mới từ một tinh thể liên kim loại phân lớp làm từ xeri, silicon và iốt (CeSiI). Vật liệu mới này có thể mang đến cho các nhà khoa học những cơ hội mới để nghiên cứu các tương tác làm phát sinh những hành vi chưa được hiểu rõ như chất siêu dẫn độc đáo và các hiện tượng lượng tử liên quan.

“Thông thường, những vật liệu fermion nặng này là những cấu trúc kim loại có liên kết mạnh theo ba chiều, nhưng người ta đã biết từ lâu rằng việc chế tạo những vật liệu này có hai chiều hơn có thể giúp thúc đẩy tính siêu dẫn độc đáo xuất hiện trong một số hợp chất fermion nặng,” giải thích. Xavier Roy, một nhà hóa học tại Đại học Columbia ở Mỹ, người đứng đầu nghiên cứu mới. “Chúng tôi đã xác định được các fermion nặng trong vật liệu phân lớp van der Waals CeSiI, chứa liên kết mạnh ở hai chiều nhưng chỉ được liên kết yếu với nhau ở chiều thứ ba.”

Các electron dẫn kết hợp mạnh với mô men từ cục bộ

Các nhà nghiên cứu đã chọn nghiên cứu CeSiI, chất được tổng hợp lần đầu tiên vào năm 1998, sau khi tìm kiếm cơ sở dữ liệu tinh thể học về các vật liệu có thể chứa các tương tác mạnh này (được gọi là tương tác Kondo). Đặc biệt, họ nhắm đến việc kết hợp ba yếu tố chính: nguyên tử xeri, vốn tạo ra mô men từ cục bộ; độ dẫn điện của kim loại, đảm bảo sự hiện diện của các hạt mang điện; và cấu trúc phân lớp van der Waals cho phép chúng bóc tách (bóc ra) các lớp vật liệu mỏng chỉ dày vài nguyên tử. Sau đó, các lớp riêng lẻ này có thể được xoắn và căng hoặc xếp chồng lên nhau trên các vật liệu khác để thay đổi đặc tính của vật liệu.

Để tạo ra CeSiI, các nhà nghiên cứu đã kết hợp kim loại xeri, silicon và xeri iodua rồi nung nóng tổ hợp này đến nhiệt độ cao. Thủ tục này được trình bày chi tiết trong Thiên nhiên, tạo ra các tiểu cầu hình lục giác của vật liệu mong muốn. “Đúng như chúng tôi hy vọng, chúng tôi thấy rằng các electron dẫn kết hợp mạnh với mô men từ cục bộ trên các nguyên tử Ce, dẫn đến khối lượng hiệu dụng được tăng cường và trật tự phản sắt từ ở nhiệt độ thấp,” giải thích. Victoria Posey, nghiên cứu sinh tiến sĩ tại phòng thí nghiệm của Roy người tổng hợp vật liệu.

Sử dụng kính hiển vi quét đường hầm đo được thực hiện trong Phòng thí nghiệm của Abhay Pasupathy tại Columbia, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng quang phổ của vật liệu này đặc trưng của các fermion nặng. Họ đã sao lưu những kết quả này bằng các phép đo quang phổ quang phát xạ ở Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven, phép đo vận chuyển điện tử tại Harvard University và các phép đo từ tính tại Phòng thí nghiệm từ trường cao quốc gia Ở Florida. Họ cũng làm việc với một nhóm các nhà lý thuyết ở Columbia, Viện Flatiron, Các Viện Max Planck ở Đức, Thụy Điển Đại học Uppsala và hai tổ chức ở San Sebastián, Tây Ban Nha để phát triển khung lý thuyết nhằm giải thích những quan sát của họ.

Thành viên của đội Michael Ziebel giải thích rằng kết quả này có thể đạt được một phần là do nỗ lực chung của Columbia, Brookhaven và Viện Flatiron nhằm thiết kế các tính chất mới trong vật liệu 2D. Ziebel cho biết: “Một thách thức lớn mà chúng tôi phải vượt qua là độ nhạy không khí của vật liệu, điều đó có nghĩa là chúng tôi phải phát triển những cách mới để xử lý mẫu trong phòng thí nghiệm của mình”. “Nói rộng hơn, việc xác định sự hiện diện của các fermion nặng có thể khá khó khăn – không có phép đo 'súng hút' nào cả."

Các nhà nghiên cứu hiện có kế hoạch thay thế các nguyên tử khác nhau vào các vị trí xeri, silicon hoặc iốt trong CeSiI để cố gắng ngăn chặn trật tự từ tính của nó và tạo ra các trạng thái điện tử cơ bản mới. Sau đó, bằng cách bóc vật liệu đến các độ dày khác nhau, họ nhằm mục đích nghiên cứu ảnh hưởng của kích thước lên các hợp chất này. “Song song đó, chúng tôi đang áp dụng các kỹ thuật mà chúng tôi đã sử dụng trong nghiên cứu này để thay đổi một cách có hệ thống các tính chất của CeSiI ở giới hạn 2D, hy vọng điều gì đó sẽ tạo ra các hiện tượng lượng tử mới phát sinh từ sự kết hợp giữa các tương tác điện tử mạnh và tính chiều thấp,” nói. Roy.

Dấu thời gian:

Thêm từ Thế giới vật lý