Onderzoekers van Columbia University hebben met succes het eerste 2D zware fermionmateriaal gesynthetiseerd. Ze introduceren het nieuwe materiaal, een gelaagd intermetallisch kristal bestaande uit cerium, silicium en jodium (CeSiI), in een onderzoeksartikel gepubliceerd in Nature.

Zware fermionverbindingen zijn een klasse materialen met elektronen die tot 1000 keer zwaarder zijn dan normaal. In deze materialen raken elektronen verstrikt in magnetische spins die ze vertragen en hun effectieve massa vergroten. Er wordt aangenomen dat dergelijke interacties een belangrijke rol spelen in een aantal raadselachtige kwantumfenomenen, waaronder supergeleiding, de beweging van elektrische stroom zonder weerstand.

Onderzoekers onderzoeken al tientallen jaren zware fermionen, maar dan in de vorm van omvangrijke 3D-kristallen. Het nieuwe materiaal gesynthetiseerd door Ph.D. student Victoria Posey in het laboratorium van Columbia-chemicus Xavier Roy laat onderzoekers een dimensie vallen.

"We hebben een nieuwe basis gelegd om de fundamentele natuurkunde te verkennen en unieke kwantumfasen te onderzoeken", zegt Posey.

CeSiI, een van de nieuwste materialen uit het Roy-lab, is een van der Waals-kristal dat kan worden afgepeld in lagen van slechts een paar atomen dik. Dat maakt het gemakkelijker om te manipuleren en te combineren met andere materialen dan een bulkkristal, naast het bezitten van potentiële kwantumeigenschappen die voorkomen in 2D.

"Het is verbazingwekkend dat Posey en het Roy-lab een zwaar fermion zo klein en dun konden maken", zegt senior auteur Abhay Pasupathy, een natuurkundige bij Columbia en Brookhaven National Laboratory. "Net zoals we zagen bij de recente Nobelprijs voor kwantumdots, kun je veel interessante dingen doen als je dimensies verkleint."

Met het middelste vel silicium ingeklemd tussen magnetische ceriumatomen, vermoedden Posey en haar collega's dat CeSiI, voor het eerst beschreven in een artikel in 1998, enkele interessante elektronische eigenschappen zou kunnen hebben. De eerste stop (nadat Posey had ontdekt hoe hij het extreem luchtgevoelige kristal moest voorbereiden voor transport) was een Scanning Tunneling Microscope (STM) in het natuurkundig laboratorium van Abhay Pasupathy in Columbia.

Met de STM observeerden ze een specifieke spectrumvorm die kenmerkend is voor zware fermionen. Posey synthetiseerde vervolgens een niet-magnetisch equivalent van CeSiI en woog de elektronen van beide materialen via hun warmtecapaciteiten. CeSiI's waren zwaarder. "Door de twee te vergelijken – één met magnetische spins en één zonder – kunnen we bevestigen dat we een zwaar fermion hebben gecreëerd", zegt Posey.

Monsters vonden vervolgens hun weg over de campus en het land voor aanvullende analyses, onder meer naar Pasupathy's laboratorium in het Brookhaven National Laboratory voor foto-emissiespectroscopie; naar het laboratorium van Philip Kim op Harvard voor metingen van elektronentransport; en naar het National High Magnetic Field Laboratory in Florida om de magnetische eigenschappen ervan te bestuderen. Onderweg hielpen de theoretici Andrew Millis van Columbia en Angel Rubio van Max Planck de observaties van de teams te verklaren.

Vanaf hier zullen de onderzoekers van Columbia doen waar ze goed in zijn met 2D-materialen:ze stapelen, belasten, porren en prikken om te zien welk uniek kwantumgedrag eruit kan worden gehaald. Pasupathy is van plan CeSiI toe te voegen aan zijn arsenaal aan materialen in de zoektocht naar kwantumkriticiteit, het punt waarop een materiaal van de ene unieke fase naar de andere verschuift. Bij de crossover kunnen zich interessante fenomenen zoals supergeleiding voordoen.

"Het manipuleren van CeSiI op de 2D-limiet zal ons in staat stellen nieuwe wegen te verkennen om kwantumkriticiteit te bereiken", zegt Michael Ziebel, een postdoc in de Roy-groep en co-corresponderende auteur, "en dit kan ons begeleiden bij het ontwerpen van nieuwe materialen." /P>

Terug op de scheikundeafdeling vervangt Posey, die de benodigde luchtvrije synthesetechnieken heeft geperfectioneerd, systematisch de atomen in het kristal (bijvoorbeeld door silicium te ruilen voor andere metalen, zoals aluminium of gallium) om verwante zware fermionen te creëren met hun eigen atomen. unieke eigenschappen om te bestuderen. "We dachten aanvankelijk dat CeSiI eenmalig was", zegt Roy. "Maar dit project is in mijn groep uitgegroeid tot een nieuw soort chemie."

Meer informatie: Xavier Roy, Tweedimensionale zware fermionen in het van der Waals metaal CeSiI, Natuur (2024). DOI:10.1038/s41586-023-06868-x. www.nature.com/articles/s41586-023-06868-x

Journaalinformatie: Natuur

Aangeboden door Columbia University