Des chercheurs de l’Université de Columbia ont réussi à synthétiser le premier matériau à fermions lourds 2D. Ils présentent le nouveau matériau, un cristal intermétallique en couches composé de cérium, de silicium et d'iode (CeSiI), dans un article de recherche publié dans Nature.

Les composés de fermions lourds sont une classe de matériaux dont les électrons sont jusqu'à 1 000 fois plus lourds que d'habitude. Dans ces matériaux, les électrons s’emmêlent dans des spins magnétiques qui les ralentissent et augmentent leur masse effective. On pense que de telles interactions jouent un rôle important dans un certain nombre de phénomènes quantiques énigmatiques, notamment la supraconductivité, le mouvement du courant électrique avec une résistance nulle.

Les chercheurs explorent les fermions lourds depuis des décennies, mais sous la forme de cristaux 3D volumineux. Le nouveau matériel synthétisé par le doctorat. L'étudiante Victoria Posey dans le laboratoire du chimiste de Columbia Xavier Roy permettra aux chercheurs de laisser tomber une dimension.

"Nous avons jeté de nouvelles bases pour explorer la physique fondamentale et sonder des phases quantiques uniques", a déclaré Posey.

L'un des derniers matériaux issus du laboratoire Roy, CeSiI est un cristal de van der Waals qui peut être pelé en couches de quelques atomes d'épaisseur seulement. Cela le rend plus facile à manipuler et à combiner avec d'autres matériaux qu'un cristal massif, en plus de posséder des propriétés quantiques potentielles qui se produisent en 2D.

"C'est incroyable que Posey et le laboratoire Roy aient pu fabriquer un fermion lourd si petit et si mince", a déclaré l'auteur principal Abhay Pasupathy, physicien au Laboratoire national de Columbia et de Brookhaven. "Tout comme nous l'avons vu avec le récent prix Nobel sur les points quantiques, vous pouvez faire beaucoup de choses intéressantes en réduisant les dimensions."

Avec sa feuille centrale de silicium prise en sandwich entre des atomes de cérium magnétiques, Posey et ses collègues soupçonnaient que CeSiI, décrit pour la première fois dans un article de 1998, pourrait avoir des propriétés électroniques intéressantes. Son premier arrêt (après que Posey ait compris comment préparer le cristal extrêmement sensible à l'air pour le transport) était un microscope à effet tunnel (STM) dans le laboratoire de physique d'Abhay Pasupathy à Columbia.

Avec le STM, ils ont observé une forme particulière du spectre caractéristique des fermions lourds. Posey a ensuite synthétisé un équivalent non magnétique du CeSiI et a pesé les électrons des deux matériaux via leurs capacités thermiques. Les CeSiI étaient plus lourds. "En comparant les deux, l'un avec des spins magnétiques et l'autre sans, nous pouvons confirmer que nous avons créé un fermion lourd", a déclaré Posey.

Les échantillons ont ensuite traversé le campus et le pays pour des analyses supplémentaires, notamment au laboratoire de Pasupathy au Brookhaven National Laboratory pour la spectroscopie de photoémission ; au laboratoire de Philip Kim à Harvard pour les mesures du transport des électrons; et au National High Magnetic Field Laboratory en Floride pour étudier ses propriétés magnétiques. En cours de route, les théoriciens Andrew Millis de Columbia et Angel Rubio de Max Planck ont ​​aidé à expliquer les observations des équipes.

À partir de là, les chercheurs de Columbia feront ce qu'ils font de mieux avec les matériaux 2D :les empiler, les tendre, les pousser et les pousser pour voir quels comportements quantiques uniques peuvent en découler. Pasupathy prévoit d'ajouter CeSiI à son arsenal de matériaux dans la recherche de la criticité quantique, le point où un matériau passe d'une phase unique à une autre. Au croisement, des phénomènes intéressants comme la supraconductivité pourraient vous attendre.

"La manipulation de CeSiI à la limite 2D nous permettra d'explorer de nouvelles voies pour atteindre la criticité quantique", a déclaré Michael Ziebel, postdoctorant dans le groupe Roy et auteur co-correspondant, "et cela peut nous guider dans la conception de nouveaux matériaux." /P>

De retour au département de chimie, Posey, qui a perfectionné les techniques de synthèse sans air nécessaires, remplace systématiquement les atomes du cristal (par exemple, en échangeant le silicium contre d'autres métaux, comme l'aluminium ou le gallium) pour créer des fermions lourds associés avec leurs propres fermions lourds. propriétés uniques à étudier. "Au départ, nous pensions que CeSiI était unique", a déclaré Roy. "Mais ce projet a donné naissance à un nouveau type d'alchimie dans mon groupe."

Plus d'informations : Xavier Roy, Fermions lourds bidimensionnels dans le métal de van der Waals CeSiI, Nature (2024). DOI :10.1038/s41586-023-06868-x. www.nature.com/articles/s41586-023-06868-x

Informations sur le journal : Nature

Fourni par l'Université de Columbia