Forskare vid Columbia University har framgångsrikt syntetiserat det första 2D tunga fermionmaterialet. De introducerar det nya materialet, en skiktad intermetallisk kristall sammansatt av cerium, kisel och jod (CeSiI), i en forskningsartikel publicerad i Nature.
Tunga fermionföreningar är en klass av material med elektroner som är upp till 1 000 gånger tyngre än vanligt. I dessa material trasslar sig elektroner ihop med magnetiska snurr som saktar ner dem och ökar deras effektiva massa. Sådana interaktioner anses spela viktiga roller i ett antal gåtfulla kvantfenomen, inklusive supraledning, elektrisk ströms rörelse utan resistans.
Forskare har utforskat tunga fermioner i decennier, men i form av skrymmande 3D-kristaller. Det nya materialet som syntetiserats av Ph.D. student Victoria Posey i Columbia-kemisten Xavier Roys labb kommer att tillåta forskare att tappa en dimension.
"Vi har lagt en ny grund för att utforska grundläggande fysik och undersöka unika kvantfaser", säger Posey.
Ett av de senaste materialen som kommit ut från Roy-labbet, CeSiI är en van der Waals-kristall som kan skalas i lager som bara är några atomer tjocka. Det gör det lättare att manipulera och kombinera med andra material än en bulkkristall, förutom att ha potentiella kvantegenskaper som förekommer i 2D.
"Det är fantastiskt att Posey och Roy-labbet kunde göra en tung fermion så liten och tunn", säger seniorförfattaren Abhay Pasupathy, fysiker vid Columbia and Brookhaven National Laboratory. "Precis som vi såg med det senaste Nobelpriset till kvantprickar, kan du göra många intressanta saker när du krymper dimensioner."
Med sitt mellanark av kisel inklämt mellan magnetiska ceriumatomer, misstänkte Posey och hennes kollegor att CeSiI, som först beskrevs i en tidning 1998, kunde ha några intressanta elektroniska egenskaper. Dess första stopp (efter att Posey kommit på hur man förbereder den extremt luftkänsliga kristallen för transport) var ett Scanning Tunneling Microscope (STM) i Abhay Pasupathys fysiklabb i Columbia.
Med STM observerade de en speciell spektrumform som är karakteristisk för tunga fermioner. Posey syntetiserade sedan en icke-magnetisk motsvarighet till CeSiI och vägde elektronerna från båda materialen via deras värmekapacitet. CeSiI var tyngre. "Genom att jämföra de två - en med magnetiska snurr och en utan - kan vi bekräfta att vi har skapat en tung fermion," sa Posey.
Prover tog sig sedan över campus och landet för ytterligare analyser, inklusive till Pasupathys labb vid Brookhaven National Laboratory för fotoemissionsspektroskopi; till Philip Kims labb vid Harvard för elektrontransportmätningar; och till National High Magnetic Field Laboratory i Florida för att studera dess magnetiska egenskaper. Längs vägen hjälpte teoretikerna Andrew Millis vid Columbia och Angel Rubio på Max Planck till att förklara teamens observationer.
Härifrån kommer Columbias forskare att göra det de är bäst på med 2D-material:stapla, sila, peta och driva dem för att se vilka unika kvantbeteenden som kan lockas ur dem. Pasupathy planerar att lägga till CeSiI till sin arsenal av material i sökandet efter kvantkriticitet, punkten där ett material skiftar från en unik fas till en annan. Vid korsningen kan intressanta fenomen som supraledning vänta.
"Att manipulera CeSiI vid 2D-gränsen kommer att låta oss utforska nya vägar för att uppnå kvantkriticitet", säger Michael Ziebel, postdoc i Roy-gruppen och medförfattare, "och detta kan vägleda oss i utformningen av nya material."
Tillbaka på kemiavdelningen byter Posey, som har fulländat de luftfria syntesteknikerna som behövs, systematiskt ut atomerna i kristallen - till exempel byter kisel mot andra metaller, som aluminium eller gallium - för att skapa relaterade tunga fermioner med sina egna unika egenskaper att studera. "Vi trodde först att CeSiI var en engångsföreteelse", sa Roy. "Men det här projektet har utvecklats till en ny typ av kemi i min grupp."
Mer information: Xavier Roy, Tvådimensionella tunga fermioner i van der Waals-metallen CeSiI, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-023-06868-x. www.nature.com/articles/s41586-023-06868-x
Journalinformation: Natur
Tillhandahålls av Columbia University
