I ricercatori della Columbia University hanno sintetizzato il primo materiale fermionico pesante 2D, CeSiI, segnando un progresso significativo nella scienza dei materiali quantistici. Questo sviluppo apre la strada a nuove ricerche sui fenomeni quantistici e alla progettazione di materiali innovativi.
I ricercatori hanno sintetizzato con successo il primo materiale fermionico pesante 2D, introducendo un cristallo intermetallico stratificato composto da cerio, silicio e iodio (CeSiI).
Fermioni pesanti e fenomeni quantistici
I composti di fermioni pesanti sono una classe di materiali con elettroni fino a 1000 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 zero.
Una svolta nella scienza dei materiali quantistici
I ricercatori esplorano i fermioni pesanti da decenni, ma sotto forma di voluminosi cristalli 3D. Il nuovo materiale sintetizzato dalla dottoranda Victoria Posey nel laboratorio del chimico della Columbia Xavier Roy, consentirà loro di abbandonare una dimensione.
“Abbiamo gettato nuove basi per esplorare la fisica fondamentale e per sondare fasi quantistiche uniche”, ha dichiarato 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 facile 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 affermato 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”, ha aggiunto.
Cos’é il CeSiI
Con il suo foglio 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 sua prima tappa (dopo che Posey capì come preparare il cristallo estremamente sensibile all’aria per il trasporto), fu un microscopio a tunneling a scansione (STM) nel laboratorio di fisica di Abhay Pasupathy alla Columbia. Con l’STM i ricercatori 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.
Ricerca futura e manipolazione dei materiali
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 nella 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 autore co-corrispondente, “e questo può guidarci nella progettazione di nuovi materiali”, ha aggiunto.
Espansione della ricerca 2D sui fermioni pesanti
Tornato al dipartimento di chimica, Posey, che ha perfezionato le tecniche, ovvero 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.
Fonte: Nature
