哥伦比亚大学推出量子奇迹：电子重1000倍的材料

　　

　　

　　哥伦比亚大学的研究人员合成了第一个二维重费米子材料CeSiI，这是材料科学的一个突破。这种新材料比传统的3D重费米子化合物更容易操作，为理解包括超导性在内的量子现象开辟了新的可能性。来源:SciTechDaily.com

　　哥伦比亚大学创造了CeSiI，这是第一个2D重费米子材料，标志着量子材料科学的重大进步。这一发展为研究量子现象和设计创新材料铺平了道路。

　　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(1月17日)发表在科学杂志《自然》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晶体(CeSiI)。

　　重费米子与量子现象

　　重费米子化合物是一类电子比通常重1000倍的物质。在这些材料中，电子与磁自旋纠缠在一起，从而减慢了它们的速度，增加了它们的有效质量。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，零电阻电流的运动。

　　量子材料科学突破

　　几十年来，研究人员一直在探索重费米子，但它们是以笨重的3D晶体的形式存在的。由博士生维多利亚·波西在哥伦比亚大学化学家泽维尔·罗伊的实验室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学和探索独特的量子相奠定了新的基础。”

　　在重费米子物质中与磁自旋相互作用的电子具有比通常更重的有效质量。CeSiI除了是一种重费米子外，还是一种范德华晶体，可以被剥离成原子薄层。资料来源:哥伦比亚大学Nicoletta Barolini

　　罗伊实验室的最新材料之一，CeSiI是一种范德华晶体，可以被剥离成只有几个原子厚的层。这使得它比块状晶体更容易操作和与其他材料结合，此外还具有二维中出现的潜在量子特性。哥伦比亚和布鲁克海文国家实验室的物理学家、资深作者Abhay Pasupathy说:“波西和罗伊实验室能制造出如此小而薄的重费米子，这太神奇了。”“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。”

　　CeSiI:一个新的量子前沿

　　由于中间的硅片夹在磁性铈原子之间，波西和她的同事们怀疑，1998年首次在一篇论文中描述的铯ii可能具有一些有趣的电子特性。它的第一站(在波西弄清楚如何制备用于运输的对空气极其敏感的晶体之后)是哥伦比亚大学阿巴伊·帕苏帕蒂物理实验室的扫描隧道显微镜(STM)。通过STM，他们观察到重费米子的特殊光谱形状特征。Posey随后合成了一种与CeSiI等效的非磁性材料，并通过热容量对两种材料的电子进行了称重。CeSiI更重。波西说:“通过比较这两个粒子——一个有磁自旋，一个没有磁自旋——我们可以确认我们创造了一个重费米子。”

　　然后，样品被送往校园和全国各地进行进一步的分析，包括送到帕苏帕蒂在布鲁克海文国家实验室的光电光谱实验室;Philip Kim在哈佛大学的实验室进行电子传递测量;以及佛罗里达的国家强磁场实验室来研究它的磁性。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·卢比奥帮助解释了研究小组的观察结果。

　　未来研究与材料操纵

　　从这里开始，哥伦比亚大学的研究人员将对二维材料做他们最擅长的事情:堆叠、拉伸、戳戳和刺激它们，看看能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，以寻找量子临界性，即材料从一个独特的相转变到另一个独特的相的点。在交叉处，可能会出现像超导这样有趣的现象。

　　罗伊小组的博士后、共同通讯作者迈克尔·齐贝尔(Michael Ziebel)说:“在2D极限下操纵CeSiI将让我们探索实现量子临界的新途径，这可以指导我们设计新材料。”

　　二维重费米子研究的扩展

　　回到化学系，波西已经完善了所需的无空气合成技术，他正在系统地替换晶体中的原子——例如，将硅换成其他金属，如铝或镓——以制造出具有自己独特性质的相关重费米子来研究。“我们最初认为CeSiI是一次性的，”罗伊说。“但这个项目已经在我的团队中形成了一种新的化学反应。”

　　参考文献:“范德华金属CeSiI中的二维重费米子”，2023年1月17日，Nature。DOI: 10.1038 / s41586 - 023 - 06868 - x

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