哥倫比亞大學的研究人員成功合成了第一種二維重費米子材料。他們在今天（1 月17 日）發表在科學期刊《自然》上的一篇研究文章中介紹了這種新材料，一種由鈰、矽和碘（CeSiI）組成的層狀金屬間晶體。

重費米子化合物是一類電子比通常重達1000 倍的材料。在這些材料中，電子與磁自旋糾纏在一起，從而減慢了電子的速度，增加了電子的有效質量。這種相互作用被認為在許多神秘的量子現像中發揮了重要作用，其中包括超導現象，即零電阻電流運動。

幾十年來，研究人員一直在探索重費米子，但都是以笨重的三維晶體形式進行的。博士生維多利亞-波西（Victoria Posey）在哥倫比亞大學化學家澤維爾-羅伊（Xavier Roy）的實驗室中合成的新材料將使研究人員能夠降低一個維度。

波西說：”我們為探索基礎物理學和探測獨特的量子相奠定了新的基礎。”

在重費米子材料中與磁自旋相互作用的電子具有比通常更重的有效質量。除了是重費米子外，CeSiI 還是一種范德華晶體，可以剝離成原子薄層。資料來源：哥倫比​​亞大學Nicoletta Barolini

作為羅伊實驗室的最新材料之一，CeSiI 是一種范德華晶體，可以剝離成僅有幾個原子厚度的層。這使得它比塊狀晶體更容易操作和與其他材料結合，此外還具有二維晶體的潛在量子特性。資深作者、哥倫比亞大學和布魯克海文國家實驗室的物理學家Abhay Pasupathy 說：「波西和羅伊實驗室能把重費米子做得這麼小、這麼薄，真是令人驚嘆。就像我們最近看到的諾貝爾獎授予量子點一樣，當你縮小尺寸時，你可以做很多有趣的事情”。

CeSiI：量子新前沿

由於中間的矽片夾在磁性鈰原子之間，波西和她的同事懷疑1998 年在一篇論文中首次描述的CeSiI 可能具有一些有趣的電子特性。他們的第一站（在Posey 弄清楚如何製備這種對空氣極其敏感的晶體以進行傳輸之後）是哥倫比亞大學Abhay Pasupathy 物理實驗室的掃描隧道顯微鏡（STM）。透過STM，他們觀察到了重費米子特有的光譜形狀。隨後，Posey 合成了與CeSiI 相當的非磁性材料，並透過熱容量對兩種材料的電子進行了稱重。CeSiI的電子更重。”Posey說：”透過比較兩種材料–一種有磁性自旋，一種沒有磁性自旋–我們可以確認我們創造了一種重費米子。

隨後，樣本在校園和全美各地進行了更多分析，包括到布魯克海文國家實驗室的帕蘇帕蒂實驗室進行光發射光譜分析；到哈佛大學的菲利普-金實驗室進行電子傳輸測量；以及到佛羅裡達州的國家高磁場實驗室研究其磁性能。一路上，哥倫比亞大學的理論家安德魯-米利斯（Andrew Millis）和馬克斯-普朗克的安吉爾-魯比奧（Angel Rubio）幫助解釋了研究小組的觀測結果。

未來研究與材料操縱

從現在起，哥倫比亞大學的研究人員將做他們在二維材料方面最擅長的事情：堆疊、應變、撥動和戳穿它們，看看能從它們身上激發出什麼獨特的量子行為。Pasupathy 計劃將CeSiI 添加到他的材料庫中，以尋找量子臨界點，即材料從一種獨特相轉變到另一種獨特相的點。在交叉點上，可能會出現超導等有趣的現象。

羅伊小組的博士後、共同通訊作者邁克爾-齊貝爾（Michael Ziebel）說：”在二維極限操縱CeSiI將讓我們探索實現量子臨界的新途徑，這可以指導我們設計新材料。”

回到化學系後，已經完善了所需的無空氣合成技術的波西正在系統地替換晶體中的原子–例如，將矽換成鋁或鎵等其他金屬，以創造出具有自身獨特性質的相關重費米子來進行研究。羅伊說：”我們最初認為CeSiI 是一次性的。但這個計畫已經在我的研究小組中開花結果，成為一種新的化學。”

編譯來源：ScitechDaily