Pesquisadores da Universidade de Columbia sintetizaram com sucesso o primeiro material férmion pesado 2D. Eles apresentam o novo material, um cristal intermetálico em camadas composto de cério, silício e iodo (CeSiI), em um artigo de pesquisa publicado na Nature.



Compostos de férmions pesados ​​são uma classe de materiais com elétrons até 1.000 vezes mais pesados ​​que o normal. Nestes materiais, os elétrons ficam emaranhados com giros magnéticos que os retardam e aumentam sua massa efetiva. Acredita-se que tais interações desempenhem papéis importantes em uma série de fenômenos quânticos enigmáticos, incluindo a supercondutividade, o movimento da corrente elétrica com resistência zero.

Os pesquisadores têm explorado férmions pesados ​​há décadas, mas na forma de cristais 3D volumosos. O novo material sintetizado pelo Ph.D. a estudante Victoria Posey, no laboratório do químico Xavier Roy, da Columbia, permitirá que os pesquisadores abandonem uma dimensão.

“Estabelecemos uma nova base para explorar a física fundamental e sondar fases quânticas únicas”, disse Posey.

Um dos materiais mais recentes saídos do laboratório Roy, CeSiI é um cristal de van der Waals que pode ser descascado em camadas com apenas alguns átomos de espessura. Isso facilita a manipulação e combinação com outros materiais além de um cristal em massa, além de possuir propriedades quânticas potenciais que ocorrem em 2D.

"É incrível que Posey e o laboratório Roy pudessem produzir um férmion pesado tão pequeno e fino", disse o autor sênior Abhay Pasupathy, físico do Laboratório Nacional de Columbia e Brookhaven. "Assim como vimos com o recente Prêmio Nobel aos pontos quânticos, você pode fazer muitas coisas interessantes quando reduz as dimensões."

Com a sua folha intermédia de silício imprensada entre átomos magnéticos de cério, Posey e os seus colegas suspeitaram que o CeSiI, descrito pela primeira vez num artigo em 1998, poderia ter algumas propriedades electrónicas interessantes. Sua primeira parada (depois que Posey descobriu como preparar o cristal extremamente sensível ao ar para transporte) foi um Microscópio de Varredura de Túnel (STM) no laboratório de física de Abhay Pasupathy em Columbia.

Com o STM, eles observaram um formato de espectro particular característico de férmions pesados. Posey então sintetizou um equivalente não magnético do CeSiI e pesou os elétrons de ambos os materiais por meio de suas capacidades térmicas. Os CeSiI eram mais pesados. "Ao comparar os dois - um com spins magnéticos e outro sem - podemos confirmar que criamos um férmion pesado", disse Posey.

As amostras então percorreram o campus e o país para análises adicionais, inclusive para o laboratório de Pasupathy no Laboratório Nacional de Brookhaven para espectroscopia de fotoemissão; ao laboratório de Philip Kim em Harvard para medições de transporte de elétrons; e ao Laboratório Nacional de Alto Campo Magnético na Flórida para estudar suas propriedades magnéticas. Ao longo do caminho, os teóricos Andrew Millis da Columbia e Angel Rubio da Max Planck ajudaram a explicar as observações das equipes.

A partir daqui, os pesquisadores de Columbia farão o que fazem de melhor com materiais 2D:empilhá-los, esticá-los, cutucá-los e cutucá-los para ver quais comportamentos quânticos únicos podem ser extraídos deles. Pasupathy planeja adicionar CeSiI ao seu arsenal de materiais na busca pela criticidade quântica, o ponto onde um material muda de uma fase única para outra. No cruzamento, fenômenos interessantes como a supercondutividade podem aguardar.

"Manipular CeSiI no limite 2D nos permitirá explorar novos caminhos para alcançar a criticidade quântica", disse Michael Ziebel, pós-doutorado no grupo Roy e coautor correspondente, "e isso pode nos guiar no projeto de novos materiais."

De volta ao departamento de química, Posey, que aperfeiçoou as técnicas necessárias de síntese sem ar, está substituindo sistematicamente os átomos do cristal – por exemplo, trocando o silício por outros metais, como alumínio ou gálio – para criar férmions pesados ​​relacionados com seus próprios férmions. propriedades únicas para estudar. “Inicialmente pensamos que o CeSiI era algo único”, disse Roy. "Mas este projeto floresceu em um novo tipo de química no meu grupo."

Mais informações: Xavier Roy, Férmions pesados ​​bidimensionais no metal van der Waals CeSiI, Natureza (2024). DOI:10.1038/s41586-023-06868-x. www.nature.com/articles/s41586-023-06868-x
Informações do diário: Natureza

Fornecido pela Universidade de Columbia