二维重费米子材料首次成功创建，具有比普通电子重1000倍的电子 -山东化工网

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二维重费米子材料首次成功创建，具有比普通电子重1000倍的电子

文章来源：贤集网更新时间：2024-01-23 15:42:43

美国哥伦比亚大学研究人员合成出第一个二维重费米子材料。这种新材料是由铈、硅和碘组成的层状金属间化合物晶体（CeSiI）。它具有比普通电子更重的电子，是探索量子现象的新平台。研究成果17日发表在《自然》杂志上。

什么是重费米子材料

是一类典型的具有强电子相互作用的材料体系，主要存在于镧系和锕系化合物中。顾名思义，重费米子体系的电子有效质量很“重”，可达自由电子质量的1000倍以上。人们普遍认为，这种有效质量的增加是电子之间通过近藤效应产生的。先前的研究表明，重费米子体系具有丰富的宏观量子现象，是研究非常规超导和绝对零度下的量子相变的理想材料体系。

重费米子材料在包括量子材料研究在内的几个前沿物理领域中占有重要地位。重费米子材料可以作为拓扑超导体，这可能有助于构建对外界噪声和扰动更稳健的量子位元，减少量子计算机的错误率。虽然新材料的两层都是硫化钽，但它们的性质有细微但重要的区别。其中一层表现得像金属，传导电子，而另一层的结构发生了变化，导致电子局域化到规则晶格中。两者的结合导致了重费米子物理的出现，这两层都没有单独表现出来。

第一种二维重费米子材料 CeSiI

在这些材料中，电子与磁自旋纠缠在一起，从而减慢了电子的速度，增加了电子的有效质量。这种相互作用被认为在许多神秘的量子现象中发挥了重要作用，其中包括超导现象，即零电阻电流运动。

几十年来，研究人员一直在探索重费米子，但都是以笨重的三维晶体形式进行的。博士生维多利亚-波西（Victoria Posey）在哥伦比亚大学化学家泽维尔-罗伊（Xavier Roy）的实验室中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测独特的量子相奠定了新的基础。"

在重费米子材料中与磁自旋相互作用的电子具有比通常更重的有效质量。除了是重费米子外，CeSiI 还是一种范德华晶体，可以剥离成原子薄层。作为罗伊实验室的最新材料之一，CeSiI 是一种范德华晶体，可以被剥离成仅有几个原子厚度的层。这使得它比块状晶体更容易操作和与其他材料结合，此外还具有二维晶体的潜在量子特性。资深作者、哥伦比亚大学和布鲁克海文国家实验室的物理学家 Abhay Pasupathy 说："波西和罗伊实验室能把重费米子做得这么小、这么薄，真是令人惊叹。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"。

CeSiI：量子新前沿

CeSiI是一种范德华晶体，可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纵，也更容易与其他材料结合。此外，它还具有二维材料中存在的潜在量子性质。1998年的一篇论文首次描述了CeSiI，其中间的硅片夹在磁性的铈原子之间。研究人员猜测，CeSiI可能具有一些有趣的电子性质。

他们的第一站（在 Posey 弄清如何制备这种对空气极其敏感的晶体以进行传输之后）是哥伦比亚大学 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特有的光谱形状。随后，Posey 合成了与 CeSiI 相当的非磁性材料，并通过热容量对两种材料的电子进行了称重。CeSiI的电子更重。"Posey说："通过比较两种材料--一种有磁性自旋，一种没有磁性自旋--我们可以确认我们创造了一种重费米子。

随后，样品在校园和全美各地进行了更多分析，包括到布鲁克海文国家实验室的帕苏帕蒂实验室进行光发射光谱分析；到哈佛大学的菲利普-金实验室进行电子传输测量；以及到佛罗里达州的国家高磁场实验室研究其磁性能。一路上，哥伦比亚大学的理论家安德鲁-米利斯（Andrew Millis）和马克斯-普朗克的安吉尔-鲁比奥（Angel Rubio）帮助解释了研究小组的观测结果。

未来研究与材料操纵

从现在起，哥伦比亚大学的研究人员将做他们在二维材料方面最擅长的事情：堆叠、应变、拨动和戳穿它们，看看能从它们身上激发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，即材料从一种独特相转变到另一种独特相的点。在交叉点上，可能会出现超导等有趣的现象。

罗伊小组的博士后、共同通讯作者迈克尔-齐贝尔（Michael Ziebel）说："在二维极限操纵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。"

回到化学系后，已经完善了所需的无空气合成技术的波西正在系统地替换晶体中的原子--例如，将硅换成铝或镓等其他金属，以创造出具有自身独特性质的相关重费米子来进行研究。罗伊说："我们最初认为 CeSiI 是一次性的。但这个项目已经在我的研究小组中开花结果，成为一种新的化学。"

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