I ricercatori della Columbia University hanno sintetizzato con successo il primo materiale fermionico pesante 2D. Introducono il nuovo materiale, un cristallo intermetallico stratificato composto da cerio, silicio e iodio (CeSiI), in un articolo di ricerca pubblicato su Nature.

I composti di fermioni pesanti sono una classe di materiali con elettroni fino a 1.000 volte più pesanti del normale. In questi materiali gli elettroni si aggrovigliano con spin magnetici che li rallentano e ne aumentano la massa effettiva. Si ritiene che tali interazioni svolgano un ruolo importante in una serie di enigmatici fenomeni quantistici, tra cui la superconduttività, il movimento della corrente elettrica con resistenza pari a zero.

I ricercatori esplorano i fermioni pesanti da decenni, ma sotto forma di voluminosi cristalli 3D. Il nuovo materiale sintetizzato dal Ph.D. la studentessa Victoria Posey nel laboratorio del chimico della Columbia Xavier Roy consentirà ai ricercatori di abbandonare una dimensione.

"Abbiamo gettato nuove basi per esplorare la fisica fondamentale e per sondare fasi quantistiche uniche", ha affermato Posey.

Uno degli ultimi materiali usciti dal laboratorio Roy, il CeSiI è un cristallo di van der Waals che può essere staccato in strati spessi solo pochi atomi. Ciò rende più semplice la manipolazione e la combinazione con altri materiali rispetto a un cristallo sfuso, oltre a possedere potenziali proprietà quantistiche che si verificano in 2D.

"È sorprendente che Posey e il laboratorio Roy siano riusciti a creare un fermione pesante così piccolo e sottile", ha detto l'autore senior Abhay Pasupathy, fisico del Columbia and Brookhaven National Laboratory. "Proprio come abbiamo visto con il recente Premio Nobel per i punti quantici, si possono fare molte cose interessanti riducendo le dimensioni."

Con il suo strato centrale di silicio inserito tra atomi di cerio magnetico, Posey e i suoi colleghi sospettavano che CeSiI, descritto per la prima volta in un articolo nel 1998, potesse avere alcune proprietà elettroniche interessanti. La prima tappa (dopo che Posey ha capito come preparare il cristallo estremamente sensibile all'aria per il trasporto) è stata un microscopio a tunneling a scansione (STM) nel laboratorio di fisica di Abhay Pasupathy alla Columbia.

Con l'STM hanno osservato una particolare forma dello spettro caratteristica dei fermioni pesanti. Posey ha quindi sintetizzato un equivalente non magnetico del CeSiI e ha pesato gli elettroni di entrambi i materiali in base alle loro capacità termiche. I CeSiI erano più pesanti. "Confrontando i due, uno con spin magnetico e uno senza, possiamo confermare di aver creato un fermione pesante", ha detto Posey.

I campioni si sono poi fatti strada attraverso il campus e il paese per ulteriori analisi, incluso il laboratorio di Pasupathy presso il Brookhaven National Laboratory per la spettroscopia di fotoemissione; al laboratorio di Philip Kim ad Harvard per le misurazioni del trasporto degli elettroni; e al National High Magnetic Field Laboratory in Florida per studiarne le proprietà magnetiche. Lungo il percorso, i teorici Andrew Millis della Columbia e Angel Rubio del Max Planck hanno contribuito a spiegare le osservazioni dei team.

Da qui, i ricercatori della Columbia faranno ciò che sanno fare meglio con i materiali 2D:impilarli, deformarli, colpirli e stimolarli per vedere quali comportamenti quantistici unici possono essere ricavati da essi. Pasupathy prevede di aggiungere CeSiI al suo arsenale di materiali alla ricerca della criticità quantistica, il punto in cui un materiale passa da una fase unica a un'altra. Al crossover potrebbero attendere fenomeni interessanti come la superconduttività.

"La manipolazione del CeSiI al limite 2D ci consentirà di esplorare nuovi percorsi per raggiungere la criticità quantistica", ha affermato Michael Ziebel, postdoc nel gruppo Roy e co-autore corrispondente, "e questo può guidarci nella progettazione di nuovi materiali". /P>

Tornato al dipartimento di chimica, Posey, che ha perfezionato le tecniche di sintesi senza aria necessarie, sta sostituendo sistematicamente gli atomi nel cristallo, ad esempio scambiando il silicio con altri metalli, come l'alluminio o il gallio, per creare fermioni pesanti correlati con i propri proprietà uniche da studiare. "Inizialmente pensavamo che il CeSiI fosse un evento unico", ha detto Roy. "Ma questo progetto è sbocciato in un nuovo tipo di chimica nel mio gruppo."

Ulteriori informazioni: Xavier Roy, Fermioni pesanti bidimensionali nel metallo di van der Waals CeSiI, Natura (2024). DOI:10.1038/s41586-023-06868-x. www.nature.com/articles/s41586-023-06868-x

Informazioni sul giornale: Natura

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