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二維重費(fèi)米子材料首次成功創(chuàng)建，具有比普通電子重1000倍的電子
文章來(lái)源：賢集網(wǎng) 更新時(shí)間：2024-01-23 15:42:43
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美國(guó)哥倫比亞大學(xué)研究人員合成出第一個(gè)二維重費(fèi)米子材料。這種新材料是由鈰、硅和碘組成的層狀金屬間化合物晶體（CeSiI）。它具有比普通電子更重的電子，是探索量子現(xiàn)象的新平臺(tái)。研究成果17日發(fā)表在《自然》雜志上。 什么是重費(fèi)米子材料 是一類(lèi)典型的具有強(qiáng)電子相互作用的材料體系，主要存在于鑭系和錒系化合物中。顧名思義，重費(fèi)米子體系的電子有效質(zhì)量很“重”，可達(dá)自由電子質(zhì)量的1000倍以上。人們普遍認(rèn)為，這種有效質(zhì)量的增加是電子之間通過(guò)近藤效應(yīng)產(chǎn)生的。先前的研究表明，重費(fèi)米子體系具有豐富的宏觀量子現(xiàn)象，是研究非常規(guī)超導(dǎo)和絕對(duì)零度下的量子相變的理想材料體系。 重費(fèi)米子材料在包括量子材料研究在內(nèi)的幾個(gè)前沿物理領(lǐng)域中占有重要地位。重費(fèi)米子材料可以作為拓?fù)涑瑢?dǎo)體，這可能有助于構(gòu)建對(duì)外界噪聲和擾動(dòng)更穩(wěn)健的量子位元，減少量子計(jì)算機(jī)的錯(cuò)誤率。雖然新材料的兩層都是硫化鉭，但它們的性質(zhì)有細(xì)微但重要的區(qū)別。其中一層表現(xiàn)得像金屬，傳導(dǎo)電子，而另一層的結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，導(dǎo)致電子局域化到規(guī)則晶格中。兩者的結(jié)合導(dǎo)致了重費(fèi)米子物理的出現(xiàn)，這兩層都沒(méi)有單獨(dú)表現(xiàn)出來(lái)。 第一種二維重費(fèi)米子材料 CeSiI 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(zhì)量。這種相互作用被認(rèn)為在許多神秘的量子現(xiàn)象中發(fā)揮了重要作用，其中包括超導(dǎo)現(xiàn)象，即零電阻電流運(yùn)動(dòng)。 幾十年來(lái)，研究人員一直在探索重費(fèi)米子，但都是以笨重的三維晶體形式進(jìn)行的。博士生維多利亞-波西（Victoria Posey）在哥倫比亞大學(xué)化學(xué)家澤維爾-羅伊（Xavier Roy）的實(shí)驗(yàn)室中合成的新材料將使研究人員能夠降低一個(gè)維度。 波西說(shuō)："我們?yōu)樘剿骰A(chǔ)物理學(xué)和探測(cè)獨(dú)特的量子相奠定了新的基礎(chǔ)。" 在重費(fèi)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(zhì)量。除了是重費(fèi)米子外，CeSiI 還是一種范德華晶體，可以剝離成原子薄層。作為羅伊實(shí)驗(yàn)室的最新材料之一，CeSiI 是一種范德華晶體，可以被剝離成僅有幾個(gè)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(jié)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(xué)和布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家 Abhay Pasupathy 說(shuō)："波西和羅伊實(shí)驗(yàn)室能把重費(fèi)米子做得這么小、這么薄，真是令人驚嘆。就像我們最近看到的諾貝爾獎(jiǎng)授予量子點(diǎn)一樣，當(dāng)你縮小尺寸時(shí)，你可以做很多有趣的事情"。 CeSiI：量子新前沿 CeSiI是一種范德華晶體，可剝離成只有幾個(gè)原子厚的層。這使得它比塊狀晶體更容易操縱，也更容易與其他材料結(jié)合。此外，它還具有二維材料中存在的潛在量子性質(zhì)。1998年的一篇論文首次描述了CeSiI，其中間的硅片夾在磁性的鈰原子之間。研究人員猜測(cè)，CeSiI可能具有一些有趣的電子性質(zhì)。 他們的第一站（在 Posey 弄清如何制備這種對(duì)空氣極其敏感的晶體以進(jìn)行傳輸之后）是哥倫比亞大學(xué) Abhay Pasupathy 物理實(shí)驗(yàn)室的掃描隧道顯微鏡（STM）。通過(guò) STM，他們觀察到了重費(fèi)米子特有的光譜形狀。隨后，Posey 合成了與 CeSiI 相當(dāng)?shù)姆谴判圆牧?，并通過(guò)熱容量對(duì)兩種材料的電子進(jìn)行了稱(chēng)重。CeSiI的電子更重。"Posey說(shuō)："通過(guò)比較兩種材料--一種有磁性自旋，一種沒(méi)有磁性自旋--我們可以確認(rèn)我們創(chuàng)造了一種重費(fèi)米子。 隨后，樣品在校園和全美各地進(jìn)行了更多分析，包括到布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的帕蘇帕蒂實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行光發(fā)射光譜分析；到哈佛大學(xué)的菲利普-金實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行電子傳輸測(cè)量；以及到佛羅里達(dá)州的國(guó)家高磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室研究其磁性能。一路上，哥倫比亞大學(xué)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(cè)結(jié)果。 未來(lái)研究與材料操縱 從現(xiàn)在起，哥倫比亞大學(xué)的研究人員將做他們?cè)诙S材料方面最擅長(zhǎng)的事情：堆疊、應(yīng)變、撥動(dòng)和戳穿它們，看看能從它們身上激發(fā)出什么獨(dú)特的量子行為。Pasupathy 計(jì)劃將 CeSiI 添加到他的材料庫(kù)中，以尋找量子臨界點(diǎn)，即材料從一種獨(dú)特相轉(zhuǎn)變到另一種獨(dú)特相的點(diǎn)。在交叉點(diǎn)上，可能會(huì)出現(xiàn)超導(dǎo)等有趣的現(xiàn)象。 羅伊小組的博士后、共同通訊作者邁克爾-齊貝爾（Michael Ziebel）說(shuō)："在二維極限操縱CeSiI將讓我們探索實(shí)現(xiàn)量子臨界的新途徑，這可以指導(dǎo)我們?cè)O(shè)計(jì)新材料。" 回到化學(xué)系后，已經(jīng)完善了所需的無(wú)空氣合成技術(shù)的波西正在系統(tǒng)地替換晶體中的原子--例如，將硅換成鋁或鎵等其他金屬，以創(chuàng)造出具有自身獨(dú)特性質(zhì)的相關(guān)重費(fèi)米子來(lái)進(jìn)行研究。羅伊說(shuō)："我們最初認(rèn)為 CeSiI 是一次性的。但這個(gè)項(xiàng)目已經(jīng)在我的研究小組中開(kāi)花結(jié)果，成為一種新的化學(xué)。" 原文鏈接：https://www.xianjichina.com/special/detail_540299.html 來(lái)源：賢集網(wǎng) 著作權(quán)歸作者所有。商業(yè)轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系作者獲得授權(quán)，非商業(yè)轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。 |
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