化学家创造了2D重费米子

哥伦比亚大学的研究人员成功合成了第一个2D重费米子材料。他们在今天发表在上的一篇研究文章中介绍了这种新材料——一种由铈、硅和碘组成的层状金属间化合物晶体大自然。

重费米子化合物是一类电子比通常重1000倍的材料。

在这些材料中，电子与磁自旋纠缠在一起，使它们减速并增加其有效质量。

这种相互作用被认为在许多神秘的量子现象中起着重要作用，包括超导性，即零电阻电流的运动。

几十年来，研究人员一直在探索重费米子，但采用的是笨重的3D晶体形式。

博士生维多利亚·波西在哥伦比亚化学家泽维尔·罗伊的实验室合成的新材料将使研究人员降低一个维度。

波西说:“我们为探索基础物理和探索独特的量子相位奠定了新的基础。”

作为罗伊实验室的最新材料之一，CeSiI是一种范德华晶体，可以剥离成几个原子厚的层。

这使得它比块状晶体更容易操纵和与其他材料结合，此外还具有2D产生的潜在量子特性。资深作者、哥伦比亚和布鲁克海文国家实验室的物理学家阿沛·帕苏帕西说:“波西和罗伊实验室能把一个重费米子做得如此小而薄，这太令人惊讶了。”

“就像我们在最近的诺贝尔奖中看到的量子点一样，当你缩小维度时，你可以做很多有趣的事情。”

波西和她的同事猜测，1998年在一篇论文中首次描述的CeSiI可能具有一些有趣的电子特性。

它的第一站(在波西想出如何准备这种对空气极其敏感的晶体以便运输之后)是位于哥伦比亚阿沛·帕苏帕提物理实验室的扫描隧道显微镜(STM)。

通过扫描隧道显微镜，他们观察到了重费米子特有的特殊光谱形状。

Posey然后合成了一种与CeSiI等效的非磁性材料，并通过热容对两种材料的电子进行了称重。

塞斯伊的更重。波西说:“通过比较这两种粒子——一种有磁自旋，一种没有磁自旋——我们可以确认我们创造了一种重费米子。”

然后，样本在校园和全国各地进行进一步分析，包括在布鲁克海文国家实验室进行光电发射光谱分析的Pasupathy实验室;哈佛大学菲利普·金的实验室进行电子输运测量;并前往佛罗里达州的国家高磁场实验室研究其磁性。

在此过程中，哥伦比亚大学的理论学家安德鲁·米利斯和马克斯·普朗克的安吉尔·卢比奥帮助解释了团队的观察结果。

从这里开始，哥伦比亚大学的研究人员将做他们对2D材料最擅长的事情:堆叠、拉紧、戳戳它们，看看可以从它们身上诱导出什么独特的量子行为。

Pasupathy计划将CeSiI添加到他的材料库中，以寻求量子临界状态，即材料从一种独特的状态转变为另一种状态的点。

在交叉点上，可能会出现超导等有趣的现象。

“在2D极限下操纵CeSiI将让我们探索实现量子临界的新途径，”罗伊集团和通讯作者的博士后迈克尔·齐贝尔说，“这可以指导我们设计新材料。”

回到化学系后，波西已经完善了所需的无空气合成技术，正在系统地替换晶体中的原子——例如，将硅替换为铝或镓等其他金属——以创建相关的重费米子，这些重费米子具有自己独特的特性可供研究。“我们最初认为塞西是一次性的，”罗伊说。“但这个项目已经在我的团队中发展成一种新的化学反应。“

来源: Materials provided by Columbia University. Original written by Ellen Neff.
注明: Content may be edited for style and length. Journal Reference: Victoria A. Posey, Simon Turkel, Mehdi Rezaee, Aravind Devarakonda, Asish K. Kundu, Chin Shen Ong, Morgan Thinel, Daniel G. Chica, Rocco A. Vitalone, Ran Jing, Suheng Xu, David R. Needell, Elena Meirzadeh, Margalit L. Feuer, Apoorv Jindal, Xiaomeng Cui, Tonica Valla, Patrik Thunström, Turgut Yilmaz, Elio Vescovo, David Graf, Xiaoyang Zhu, Allen Scheie, Andrew F. May, Olle Eriksson, D. N. Basov, Cory R. Dean, Angel Rubio, Philip Kim, Michael E. Ziebel, Andrew J. Millis, Abhay N. Pasupathy, Xavier Roy. Two-dimensional heavy fermions in the van der Waals metal CeSiI. Nature, 2024; 625 (7995): 483 DOI: 10.1038/s41586-023-06868-x