Понедельник, 4 марта, 2024
ДомойХимияКолумбия представляет квантовое чудо: материал с электронами в 1000 раз тяжелее

Колумбия представляет квантовое чудо: материал с электронами в 1000 раз тяжелее

- Advertisement -

Исследователи Колумбийского университета синтезировали первый двумерный материал тяжелых фермионов CeSiI, что стало прорывом в материаловедении. Этот новый материал, с которым легче манипулировать, чем с традиционными трехмерными соединениями тяжелых фермионов, открывает новые возможности в понимании квантовых явлений, включая сверхпроводимость. Фото: SciTechDaily.com

Колумбийский университетСоздание CeSiI, первого двумерного тяжелофермионного материала, знаменует собой значительный прогресс в квантовой науке о материалах. Это развитие открывает путь к новым исследованиям квантовых явлений и разработке инновационных материалов.

Исследователи из Колумбийского университета успешно синтезировали первый двумерный материал тяжелых фермионов. Они представили новый материал — слоистый интерметаллический кристалл, состоящий из церия, кремния и йода (CeSiI), в исследовательской статье, опубликованной сегодня (17 января) в научном журнале. Природа.

Тяжелые фермионы и квантовые явления

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.

Прорыв в науке о квантовом материале

Исследователи десятилетиями исследовали тяжелые фермионы, но в форме громоздких трехмерных кристаллов. Новый материал, синтезированный аспиранткой Викторией Поузи в лаборатории химика из Колумбийского университета Ксавьера Роя, позволит исследователям отказаться от измерения.

«Мы заложили новую основу для изучения фундаментальной физики и исследования уникальных квантовых фаз», — сказал Поузи.

Электроны, которые взаимодействуют с магнитными спинами в тяжелых фермионных материалах, имеют более тяжелую, чем обычно, эффективную массу. Помимо того, что CeSiI является тяжелым фермионом, он представляет собой кристалл Ван-дер-Ваальса, который можно разделить на слои толщиной в атом. Фото: Николетта Баролини, Колумбийский университет.

CeSiI — один из последних материалов, созданных в лаборатории Роя, — это 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».

CeSiI: новый квантовый рубеж

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. Его первой остановкой (после того, как Поузи придумал, 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 синтезировал 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», — сказал 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.

Будущие исследования и манипулирование материалами

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 изучить новые пути достижения квантовой критичности», — сказал Майкл Зибель, постдок в группе Роя и соавтор, — «и это может помочь нам в разработке новых материалов».

Расширение двумерных исследований тяжелых фермионов

Вернувшись на химический факультет, Поузи, усовершенствовавший 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 перерос в новый вид химии в моей группе».

Ссылка: «Двумерные тяжелые фермионы в металле Ван-дер-Ваальса CeSiI» Виктории А. Поузи, Саймона Тюркеля, Мехди Резаи, Аравинда Девараконда, Асиш К. Кунду, Чин Шен Онг, Морган Тинель, Дэниел Дж. Чика, Рокко А. Виталоне, Ран Цзин, Сухэн Сюй, Дэвид Р. Ниделл, Елена Мейрзаде, Маргалит Л. Фейер, Апурв Джиндал, Сяомэн Цуй, Тоника Валла, Патрик Тунстрем, Тургут Йылмаз, Элио Весково, Дэвид Граф, Сяоян Чжу, Аллен Шейе, Эндрю Ф. Мэй, Олле Эрикссон, Д.Н. Басов, Кори Р. Дин, Анхель Рубио, Филип Ким, Майкл Э. Зибель, Эндрю Дж. Миллис, Абхай Н. Пасупати и Ксавьер Рой, 17 января 2023 г., Природа.
DOI: 10.1038/s41586-023-06868-x

Исходная ссылка

- Advertisement -

Популярное по теме