化学家创造了二维重费米子

哥伦比亚大学的研究人员成功合成了第一个二维重费米子材料。他们在今天发表在《自然》杂志上的一篇研究文章中介绍了这种新材料，一种由铈、硅和碘 (CeSiI) 组成的层状金属间晶体。

重费米子化合物是一类电子比平常重 1000 倍的材料。

在这些材料中，电子与磁自旋纠缠在一起，从而减慢电子速度并增加其有效质量。

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

数十年来，研究人员一直在探索重费米子，但其形式是大块的 3D 晶体。

哥伦比亚化学家泽维尔·罗伊实验室的博士生维多利亚·波西合成的新材料将使研究人员能够降低一个维度。

波西说：“我们为探索基础物理和探索独特的量子相奠定了新的基础。”

CeSiI 是罗伊实验室推出的最新材料之一，它是一种范德华晶体，可以剥离成只有几个原子厚的层。

除了拥有二维中潜在的量子特性之外，这使得它比块状晶体更容易操纵和与其他材料结合。“波西和罗伊实验室能够制造出如此小而薄的重费米子，这真是太神奇了，”哥伦比亚和布鲁克海文国家实验室的物理学家、资深作者阿拜·帕苏帕蒂 (Abhay Pasupathy) 说。

“就像我们最近看到的诺贝尔奖授予量子点一样，当你缩小尺寸时，你可以做很多有趣的事情。”

1998 年的一篇论文首次描述了 CeSiI，其中间的硅片夹在磁性铈原子之间，Posey 和她的同事怀疑 CeSiI 可能具有一些有趣的电子特性。

它的第一站(在波西弄清楚如何准备用于运输的对空气极其敏感的晶体之后)是位于哥伦比亚的 Abhay Pasupathy 物理实验室的扫描隧道显微镜 (STM)。

通过 STM，他们观察到了重费米子的特定光谱形状特征。

随后，波西合成了一种与 CeSiI 相当的非磁性材料，并通过热容对两种材料的电子进行了称重。

CeSiI 更重。波西说：“通过比较两者——一个有磁自旋，一个没有——我们可以确认我们已经创造了一个重​​费米子。”

然后样本穿过校园和全国进行进一步的分析，包括前往布鲁克海文国家实验室的 Pasupathy 实验室进行光电子能谱分析;前往哈佛大学 Philip Kim 实验室进行电子传输测量;并前往佛罗里达州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尽他们最擅长的二维材料：堆叠、应变、戳戳和刺探它们，看看可以从它们中诱出什么独特的量子行为。

Pasupathy 计划将 CeSiI 添加到他的材料库中，以寻找量子临界点，即材料从一种独特的相转变为另一种相的点。

在交叉处，超导等有趣的现象可能正在等待着。

Roy 小组的博士后兼通讯作者 Michael Ziebel 表示：“在二维极限下操纵 CeSiI 将使我们探索实现量子临界性的新途径，这可以指导我们设计新材料。”

回到化学系，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——以产生相关的重费米子他们自己独特的属性值得研究。“我们最初认为 CeSiI 是一次性的，”罗伊说。“但这个项目在我的团队中已经发展成为一种新的化学反应。”

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