Химики создали первый двумерный тяжелый фермион с электронами тяжелее обычного
Исследователи из Колумбийского университета успешно синтезировали первый двумерный материал тяжелых фермионов. В исследовательской статье, опубликованной в журнале Nature, они представили новый материал — слоистый интерметаллический кристалл, состоящий из церия, кремния и йода (CeSiI).
Тяжелые фермионные соединения представляют собой класс материалов с электронами, которые до 1000 раз тяжелее обычных. В этих материалах электроны запутываются в магнитных спинах, которые замедляют их и увеличивают их эффективную массу. Считается, что такие взаимодействия играют важную роль в ряде загадочных квантовых явлений, включая сверхпроводимость — движение электрического тока с нулевым сопротивлением.
Исследователи десятилетиями исследовали тяжелые фермионы, но в форме громоздких трехмерных кристаллов. Новый материал, который синтезировала Виктория Поузи в лаборатории химика из Колумбийского университета Ксавье Роя позволит исследователям отказаться от измерения.
«Мы заложили новую основу для изучения фундаментальной физики и исследования уникальных квантовых фаз», — сказала Поузи.
CeSiI, один из последних материалов, созданных в лаборатории Роя, представляет собой кристалл Ван-дер-Ваальса, который можно разделить на слои толщиной всего в несколько атомов. Это облегчает манипулирование и объединение с другими материалами, кроме объемного кристалла, в дополнение к обладанию потенциальными квантовыми свойствами, которые проявляются в 2D.
«Удивительно, что Поузи и лаборатория Роя смогли сделать тяжелый фермион таким маленьким и тонким», — сказал старший автор Абхай Пасупати, физик из Колумбийской и Брукхейвенской национальной лаборатории. «Точно так же, как мы видели в случае с недавней Нобелевской премией по квантовым точкам, можно делать много интересных вещей, уменьшая размеры».
Поскольку средний слой кремния зажат между магнитными атомами церия, Поузи и ее коллеги подозревали, что CeSiI, впервые описанный в статье 1998 года, может обладать некоторыми интересными электронными свойствами. Первым подтверждением (после того, как Поузи придумала, как подготовить чрезвычайно чувствительный к воздуху кристалл к транспортировке) стал сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) в физической лаборатории Абхая Пасупати в Колумбии.
С помощью СТМ они наблюдали особую форму спектра, характерную для тяжелых фермионов. Затем Поузи синтезировала немагнитный эквивалент CeSiI и взвесил электроны обоих материалов по их теплоемкости. CeSiI были тяжелее. «Сравнивая их — один с магнитным спином и один без него — мы можем подтвердить, что создали тяжелый фермион», — сказала Поузи.
Затем образцы разошлись по кампусу и по всей стране для дополнительных анализов, в том числе в лабораторию Пасупати в Брукхейвенской национальной лаборатории для фотоэмиссионной спектроскопии; в лабораторию Филипа Кима в Гарварде для измерений транспорта электронов; и в Национальную лабораторию сильных магнитных полей во Флориде для изучения его магнитных свойств. Попутно теоретики Эндрю Миллис из Колумбийского университета и Анхель Рубио из Max Planck помогли объяснить наблюдения команд.
Отсюда исследователи Колумбийского университета будут делать то, что у них получается лучше всего с двумерными материалами: складывать, деформировать, тыкать в них и подталкивать их, чтобы увидеть, какое уникальное квантовое поведение можно получить из них. Пасупати планирует добавить CeSiI в свой арсенал материалов в поисках квантовой критичности — точки, в которой материал переходит из одной уникальной фазы в другую. На кроссовере могут ожидать интересные явления, такие как сверхпроводимость.
«Манипулирование CeSiI на 2D-пределе позволит нам исследовать новые пути достижения квантовой критичности», — сказал соавтор исследования Майкл Зибель, — «и это может помочь нам в разработке новых материалов».
Вернувшись на химический факультет, Поузи, усовершенствовав необходимые методы безвоздушного синтеза, систематически заменяет атомы в кристалле — например, заменяя кремний другими металлами, такими как алюминий или галлий, — чтобы создавать родственные тяжелые фермионы с их собственными. уникальные свойства для изучения. «Изначально мы думали, что CeSiI — это единичный случай», — сказал Рой. «Но этот проект превратился в новый вид химии в моей группе».
Обсудим?
Смотрите также:
