哥伦比亚大学的研究人员成功合成了第一个二维重费米子材料。他们在《自然》杂志上发表的一篇研究文章中介绍了这种新材料，一种由铈、硅和碘(CeSiI)组成的层状金属间晶体。
重费米子化合物是一类电子比通常重1000倍的物质。在这些材料中，电子与磁自旋纠缠在一起，从而减慢了它们的速度，增加了它们的有效质量。这种相互作用被认为在许多神秘的量子现象中起着重要作用，包括超导性，零电阻电流的运动。
几十年来，研究人员一直在探索重费米子，但它们是以笨重的3D晶体的形式存在的。由博士生维多利亚·波西在哥伦比亚大学化学家泽维尔·罗伊的实验室合成的新材料将使研究人员能够降低一个维度。
波西说:“我们为探索基础物理学和探索独特的量子相奠定了新的基础。”
罗伊实验室的最新材料之一，CeSiI是一种范德华晶体，可以被剥离成只有几个原子厚的层。这使得它比块状晶体更容易操作和与其他材料结合，此外还具有二维中出现的潜在量子特性。
哥伦比亚和布鲁克海文国家实验室的物理学家、资深作者Abhay Pasupathy说:“波西和罗伊实验室能制造出如此小而薄的重费米子，这太神奇了。”“就像我们在最近的诺贝尔奖中看到的量子点一样，当你缩小维度时，你可以做很多有趣的事情。”
由于中间的硅片夹在磁性铈原子之间，波西和她的同事们怀疑，1998年首次在一篇论文中描述的铯ii可能具有一些有趣的电子特性。它的第一站(在波西弄清楚如何制备用于运输的对空气极其敏感的晶体之后)是哥伦比亚大学阿巴伊·帕苏帕蒂物理实验室的扫描隧道显微镜(STM)。
通过STM，他们观察到重费米子的特殊光谱形状特征。Posey随后合成了一种与CeSiI等效的非磁性材料，并通过热容量对两种材料的电子进行了称重。CeSiI更重。波西说:“通过比较这两个粒子——一个有磁自旋，一个没有磁自旋——我们可以确认我们创造了一个重费米子。”
然后，样品被送往校园和全国各地进行进一步的分析，包括送到帕苏帕蒂在布鲁克海文国家实验室的光电光谱实验室;Philip Kim在哈佛大学的实验室进行电子传递测量;以及佛罗里达的国家强磁场实验室来研究它的磁性。在此过程中，哥伦比亚大学的理论学家安德鲁·米利斯和马克斯·普朗克的安吉尔·卢比奥帮助解释了研究小组的观察结果。
从这里开始，哥伦比亚大学的研究人员将对二维材料做他们最擅长的事情:堆叠、拉伸、戳戳和刺激它们，看看能从它们身上诱导出什么独特的量子行为。Pasupathy计划将CeSiI添加到他的材料库中，以寻找量子临界性，即材料从一个独特的相转变到另一个独特的相的点。在交叉处，可能会出现像超导这样有趣的现象。
罗伊小组的博士后、共同通讯作者迈克尔·齐贝尔(Michael Ziebel)说:“在2D极限下操纵CeSiI将让我们探索实现量子临界的新途径，这可以指导我们设计新材料。”
回到化学系，波西已经完善了所需的无空气合成技术，他正在系统地替换晶体中的原子——例如，将硅换成其他金属，如铝或镓——以制造出具有自己独特性质的相关重费米子来研究。“我们最初认为CeSiI是一次性的，”罗伊说。“但这个项目已经在我的团队中形成了一种新的化学反应。”
