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二維重費米子材料首次成功創建，具有比普通電子重1000倍的電子

文章來源：賢集網更新時間：2024-01-23 15:42:43

美國哥倫比亞大學研究人員合成出第一個二維重費米子材料。這種新材料是由鈰、硅和碘組成的層狀金屬間化合物晶體（CeSiI）。它具有比普通電子更重的電子，是探索量子現象的新平臺。研究成果17日發表在《自然》雜志上。

什么是重費米子材料

是一類典型的具有強電子相互作用的材料體系，主要存在于鑭系和錒系化合物中。顧名思義，重費米子體系的電子有效質量很“重”，可達自由電子質量的1000倍以上。人們普遍認為，這種有效質量的增加是電子之間通過近藤效應產生的。先前的研究表明，重費米子體系具有豐富的宏觀量子現象，是研究非常規超導和絕對零度下的量子相變的理想材料體系。

重費米子材料在包括量子材料研究在內的幾個前沿物理領域中占有重要地位。重費米子材料可以作為拓撲超導體，這可能有助于構建對外界噪聲和擾動更穩健的量子位元，減少量子計算機的錯誤率。雖然新材料的兩層都是硫化鉭，但它們的性質有細微但重要的區別。其中一層表現得像金屬，傳導電子，而另一層的結構發生了變化，導致電子局域化到規則晶格中。兩者的結合導致了重費米子物理的出現，這兩層都沒有單獨表現出來。

第一種二維重費米子材料 CeSiI

在這些材料中，電子與磁自旋糾纏在一起，從而減慢了電子的速度，增加了電子的有效質量。這種相互作用被認為在許多神秘的量子現象中發揮了重要作用，其中包括超導現象，即零電阻電流運動。

幾十年來，研究人員一直在探索重費米子，但都是以笨重的三維晶體形式進行的。博士生維多利亞-波西（Victoria Posey）在哥倫比亞大學化學家澤維爾-羅伊（Xavier Roy）的實驗室中合成的新材料將使研究人員能夠降低一個維度。

波西說："我們為探索基礎物理學和探測獨特的量子相奠定了新的基礎。"

在重費米子材料中與磁自旋相互作用的電子具有比通常更重的有效質量。除了是重費米子外，CeSiI 還是一種范德華晶體，可以剝離成原子薄層。作為羅伊實驗室的最新材料之一，CeSiI 是一種范德華晶體，可以被剝離成僅有幾個原子厚度的層。這使得它比塊狀晶體更容易操作和與其他材料結合，此外還具有二維晶體的潛在量子特性。資深作者、哥倫比亞大學和布魯克海文國家實驗室的物理學家 Abhay Pasupathy 說："波西和羅伊實驗室能把重費米子做得這么小、這么薄，真是令人驚嘆。就像我們最近看到的諾貝爾獎授予量子點一樣，當你縮小尺寸時，你可以做很多有趣的事情"。

CeSiI：量子新前沿

CeSiI是一種范德華晶體，可剝離成只有幾個原子厚的層。這使得它比塊狀晶體更容易操縱，也更容易與其他材料結合。此外，它還具有二維材料中存在的潛在量子性質。1998年的一篇論文首次描述了CeSiI，其中間的硅片夾在磁性的鈰原子之間。研究人員猜測，CeSiI可能具有一些有趣的電子性質。

他們的第一站（在 Posey 弄清如何制備這種對空氣極其敏感的晶體以進行傳輸之后）是哥倫比亞大學 Abhay Pasupathy 物理實驗室的掃描隧道顯微鏡（STM）。通過 STM，他們觀察到了重費米子特有的光譜形狀。隨后，Posey 合成了與 CeSiI 相當的非磁性材料，并通過熱容量對兩種材料的電子進行了稱重。CeSiI的電子更重。"Posey說："通過比較兩種材料--一種有磁性自旋，一種沒有磁性自旋--我們可以確認我們創造了一種重費米子。

隨后，樣品在校園和全美各地進行了更多分析，包括到布魯克海文國家實驗室的帕蘇帕蒂實驗室進行光發射光譜分析；到哈佛大學的菲利普-金實驗室進行電子傳輸測量；以及到佛羅里達州的國家高磁場實驗室研究其磁性能。一路上，哥倫比亞大學的理論家安德魯-米利斯（Andrew Millis）和馬克斯-普朗克的安吉爾-魯比奧（Angel Rubio）幫助解釋了研究小組的觀測結果。

未來研究與材料操縱

從現在起，哥倫比亞大學的研究人員將做他們在二維材料方面最擅長的事情：堆疊、應變、撥動和戳穿它們，看看能從它們身上激發出什么獨特的量子行為。Pasupathy 計劃將 CeSiI 添加到他的材料庫中，以尋找量子臨界點，即材料從一種獨特相轉變到另一種獨特相的點。在交叉點上，可能會出現超導等有趣的現象。

羅伊小組的博士后、共同通訊作者邁克爾-齊貝爾（Michael Ziebel）說："在二維極限操縱CeSiI將讓我們探索實現量子臨界的新途徑，這可以指導我們設計新材料。"

回到化學系后，已經完善了所需的無空氣合成技術的波西正在系統地替換晶體中的原子--例如，將硅換成鋁或鎵等其他金屬，以創造出具有自身獨特性質的相關重費米子來進行研究。羅伊說："我們最初認為 CeSiI 是一次性的。但這個項目已經在我的研究小組中開花結果，成為一種新的化學。"

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