哥伦比亚大学创造出第一种二维重费米子材料 CeSiI

哥伦比亚大学的研究人员成功合成了第一种二维重费米子材料。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（CeSiI）组成的层状金属间晶体。

重费米子化合物是一类电子比通常重达 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。资料来源：哥伦比亚大学 Nicoletta Barolini

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

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 年在一篇论文中首次描述的 CeSiI 可能具有一些有趣的电子特性。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。"

编译来源：ScitechDaily