层状金属间晶体中出现重费米子 – 物理世界

电子通常是最轻的基本粒子之一，但在所谓的“重费米子”材料中，它们的移动就好像它们的质量大数百倍一样。这种不寻常的重量是由于材料中传导电子和局部磁矩之间的强烈相互作用而发生的，并且它被认为在高温或“非常规”超导体的行为中发挥着重要作用。

美国、瑞典、西班牙和德国的研究人员现已利用由铈、硅和碘（CeSiI）制成的层状金属间晶体合成了一种新型二维重费米子材料。这种新材料可以为科学家提供新的机会来研究引起人们知之甚少的行为的相互作用，例如非常规超导和相关的量子现象。

“通常，这些重费米子材料是在三维空间中具有强键合的金属间结构，但人们早就知道，使这些材料更加二维可以有助于促进某些重费米子化合物中出现的非常规超导性，”解释道 泽维尔·罗伊（Xavier Roy），一名化学家 哥伦比亚大学 在美国领导这项新研究的人。 “我们在范德华层状材料 CeSiI 中发现了重费米子，它在二维中具有很强的结合力，但在第三维中仅弱结合在一起。”

传导电子与局部磁矩强烈耦合

研究人员在晶体学数据库中搜索可能具有这些强相互作用（称为近藤相互作用）的材料后，选择研究 1998 年首次合成的 CeSiI。特别是，他们的目标是将三个关键元素结合起来：铈原子，提供局部磁矩；金属导电性，确保载流子的存在；范德华层状结构使它们能够剥离（剥离）只有几个原子厚的材料薄层。然后，这些单独的层可以被扭曲和拉紧，或者堆叠在其他材料的顶部，以改变材料的特性。

为了制造 CeSiI，研究人员将金属铈、硅和碘化铈结合在一起，并将整体加热到高温。他们详细介绍了这个过程 自然，生成所需材料的六角形片晶。 “正如我们所希望的那样，我们发现传导电子与 Ce 原子上的局部磁矩强烈耦合，从而导致低温下有效质量和反铁磁序的增强。” 维多利亚·波西 (Victoria Posey)，罗伊实验室的博士生 谁合成了该材料。

使用扫描隧道显微镜测量进行 Abhay Pasupathy 在哥伦比亚的实验室研究人员发现该材料的光谱具有重费米子的特征。他们通过光电子能谱测量来支持这些结果 布鲁克海文国家实验室，电子传输测量 哈佛大学 和磁测量 国家高磁场实验室 在佛罗里达州。他们还与哥伦比亚大学的一组理论家合作， 熨斗研究所是， 德国马克斯·普朗克研究所，瑞典的 乌普萨拉大学 和西班牙圣塞巴斯蒂安的两个机构开发一个理论框架来解释他们的观察结果。

非常规超导体比预期的还要奇怪

队员 迈克尔·齐贝尔 解释说，这一结果之所以成为可能，部分原因在于哥伦比亚大学、布鲁克海文大学和熨斗研究所共同努力设计二维材料的新特性。 “我们必须克服的一个主要挑战是材料的空气敏感性，这意味着我们必须开发新的方法来处理实验室中的样品，”Ziebel 说。 “更广泛地说，确定重费米子本身的存在可能相当具有挑战性——没有‘确凿的证据’测量。”

研究人员现在计划将不同的原子替换到 CeSiI 中的铈、硅或碘位点中，以试图抑制其磁序并诱导新的电子基态。然后，通过将材料剥离至不同的厚度，他们的目的是研究维度对这些化合物的影响。 “与此同时，我们正在应用在这项工作中使用的技术来系统地改变 CeSiI 在 2D 极限下的特性，这有望引发由强电子相互作用和低维度相结合而产生的新量子现象，”罗伊.

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• Sumber: https://physicsworld.com/a/heavy-fermions-appear-in-a-layered-intermetallic-crystal/