Investigadores de la Universidad de Columbia han sintetizado con éxito el primer material de fermiones pesados ​​en 2D. Presentan el nuevo material, un cristal intermetálico en capas compuesto de cerio, silicio y yodo (CeSiI), en un artículo de investigación publicado en Nature.

Los compuestos de fermiones pesados ​​son una clase de materiales con electrones que son hasta 1.000 veces más pesados ​​de lo habitual. En estos materiales, los electrones se enredan con espines magnéticos que los ralentizan y aumentan su masa efectiva. Se cree que estas interacciones desempeñan papeles importantes en una serie de enigmáticos fenómenos cuánticos, incluida la superconductividad, el movimiento de la corriente eléctrica con resistencia cero.

Los investigadores han estado explorando fermiones pesados ​​durante décadas, pero en forma de cristales tridimensionales voluminosos. El nuevo material sintetizado por Ph.D. La estudiante Victoria Posey en el laboratorio del químico Xavier Roy de Columbia permitirá a los investigadores dejar caer una dimensión.

"Hemos sentado una nueva base para explorar la física fundamental y probar fases cuánticas únicas", afirmó Posey.

Uno de los últimos materiales surgidos del laboratorio Roy, el CeSiI, es un cristal de Van der Waals que se puede pelar en capas de sólo unos pocos átomos de espesor. Eso hace que sea más fácil de manipular y combinar con otros materiales además de un cristal en masa, además de poseer posibles propiedades cuánticas que ocurren en 2D.

"Es sorprendente que Posey y el laboratorio de Roy pudieran producir un fermión pesado tan pequeño y delgado", dijo el autor principal Abhay Pasupathy, físico del Laboratorio Nacional de Columbia y Brookhaven. "Al igual que vimos con el reciente Premio Nobel a los puntos cuánticos, se pueden hacer muchas cosas interesantes cuando se reducen las dimensiones."

Con su lámina intermedia de silicio intercalada entre átomos magnéticos de cerio, Posey y sus colegas sospecharon que el CeSiI, descrito por primera vez en un artículo en 1998, podría tener algunas propiedades electrónicas interesantes. Su primera parada (después de que Posey descubriera cómo preparar el cristal extremadamente sensible al aire para su transporte) fue un microscopio de efecto túnel (STM) en el laboratorio de física de Abhay Pasupathy en Columbia.

Con el STM, observaron una forma de espectro particular característica de los fermiones pesados. Luego, Posey sintetizó un equivalente no magnético del CeSiI y pesó los electrones de ambos materiales a través de sus capacidades caloríficas. Los de CeSiI eran más pesados. "Al comparar los dos, uno con espines magnéticos y el otro sin ellos, podemos confirmar que hemos creado un fermión pesado", dijo Posey.

Luego, las muestras recorrieron el campus y el país para análisis adicionales, incluido el laboratorio de Pasupathy en el Laboratorio Nacional Brookhaven para espectroscopia de fotoemisión; al laboratorio de Philip Kim en Harvard para mediciones del transporte de electrones; y al Laboratorio Nacional de Alto Campo Magnético en Florida para estudiar sus propiedades magnéticas. En el camino, los teóricos Andrew Millis de Columbia y Angel Rubio de Max Planck ayudaron a explicar las observaciones de los equipos.

A partir de aquí, los investigadores de Columbia harán lo que mejor saben hacer con los materiales 2D:apilarlos, tensarlos, pincharlos y estimularlos para ver qué comportamientos cuánticos únicos se pueden extraer de ellos. Pasupathy planea añadir CeSiI a su arsenal de materiales en la búsqueda de la criticidad cuántica, el punto en el que un material pasa de una fase única a otra. En el cruce pueden esperarse fenómenos interesantes como la superconductividad.

"La manipulación de CeSiI en el límite 2D nos permitirá explorar nuevas vías para lograr la criticidad cuántica", afirmó Michael Ziebel, postdoctorado en el grupo Roy y coautor correspondiente, "y esto puede guiarnos en el diseño de nuevos materiales". /P>

De vuelta en el departamento de química, Posey, que ha perfeccionado las técnicas de síntesis sin aire necesarias, está reemplazando sistemáticamente los átomos en el cristal (por ejemplo, intercambiando silicio por otros metales, como aluminio o galio) para crear fermiones pesados ​​relacionados con sus propios. Propiedades únicas para estudiar. "Al principio pensamos que el CeSiI era algo excepcional", dijo Roy. "Pero este proyecto ha generado un nuevo tipo de química en mi grupo".

Más información: Xavier Roy, Fermiones pesados ​​bidimensionales en el metal CeSiI de van der Waals, Naturaleza (2024). DOI:10.1038/s41586-023-06868-x. www.nature.com/articles/s41586-023-06868-x

Información de la revista: Naturaleza

Proporcionado por la Universidad de Columbia