Дослідники з Університету Упсали разом з іншими співробітниками виявили новий двовимірний квантовий матеріал у недавньому дослідженні, опублікованому в Nature. Цей новаторський матеріал складається з атомарно тонких шарів церію, кремнію та йоду (CeSiI), що є першим зразком двовимірного матеріалу з важкими ферміонами.
«Електрони в CeSiI поводяться так, ніби вони мають у 100 разів більшу масу, ніж електрони у звичайних матеріалах. Ось чому їх називають важкими ферміонами. Особливість CeSiI полягає в тому, що ця ефективна маса є анізотропною і залежить від напрямку, в якому рухаються електрони в атомних шарах», — каже Чін-Шен Онг, один із дослідників з Уппсали, який стоїть за цим дослідженням.
Дослідження є результатом співпраці між дослідниками теорії матеріалів з Упсальського університету та дослідниками з Колумбійського університету в Сполучених Штатах. Для дослідників матеріалів з Упсальського університету головним питанням було теоретичне дослідження квантових властивостей електронів у матеріалі.
Передумови та значення важких ферміонів
Важкі ферміонні сполуки — це клас матеріалів, у яких електрони надзвичайно сильно взаємодіють один з одним. При цьому вони координують свої рухи в так званих квантових флуктуаціях. Ця взаємодія змушує електрони поводитися так, ніби вони мають у 100 або 1000 разів більшу масу, ніж електрони у звичайних матеріалах. Вважається, що ці квантові флуктуації відіграють важливу роль у ряді досі непояснених квантових явищ, таких як нетрадиційна надпровідність, коли електричний струм може проходити через матеріал без втрати енергії, і магнетизм.
Дослідження матеріалів з важкими ферміонами тривають десятиліттями, але досі основна увага приділялася матеріалам, де атоми щільно упаковані в тривимірну структуру. Ще в 1970-х роках дослідники Упсальського університету зосередилися на матеріалах на основі церію з великим успіхом. Однак новий матеріал, синтезований в лабораторії Колумбійського університету, є унікальним, оскільки він має 2D-подібну кристалічну структуру з чітко розділеними атомними шарами. Шари складаються з церію, кремнію та йоду (CeSiI) і є першим прикладом 2D матеріалу з важкими ферміонами.
«Завдяки цьому відкриттю ми тепер маємо значно вдосконалену матеріальну платформу для дослідження корельованих електронних структур. 2D-матеріали схожі на конструктор із деталей LEGO. Наші партнери вже працюють над додаванням шарів з інших 2D-матеріалів, щоб створити новий матеріал із налаштованими квантовими властивостями», — говорить Чін-Шен Онг.