哥伦比亚大学创造了第一种二维重费米子材料CeSiI，标志着量子材料科学的重大进步。这一发展为量子现象的新研究和创新材料的设计铺平了道路。
哥伦比亚大学的研究人员已经成功合成了第一种二维重费米子材料。他们在今天（1月17日）发表在科学杂志《自然》上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。
重费米子和量子现象
重费米子化合物是一类电子比平时重 1000 倍的材料。在这些材料中，电子与磁自旋纠缠在一起，从而减慢它们的速度并增加它们的有效质量。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，即电流在零电阻下的运动。
量子材料科学的突破
几十年来，研究人员一直在探索重费米子，但以笨重的3D晶体的形式存在。由哥伦比亚大学化学家泽维尔·罗伊（Xavier Roy）实验室的博士生维多利亚·波西（Victoria Posey）合成的新材料将使研究人员能够降低一个维度。
“我们已经为探索基础物理学和探索独特的量子相奠定了新的基础，”Posey说。
CeSiI是罗伊实验室最新推出的材料之一，是一种范德华晶体，可以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纵和与其他材料结合，此外还具有在2D中发生的潜在量子特性。 “令人惊讶的是，Posey和Roy实验室可以制造出如此小而薄的重费米子，”资深作者，哥伦比亚和布鲁克海文国家实验室的物理学家Abhay Pasupathy说。“就像我们最近看到的诺贝尔奖一样，当你缩小尺寸时，你可以做很多有趣的事情。
CeSiI：新的量子前沿
由于中间的硅片夹在磁性铈原子之间，Posey和她的同事们怀疑1998年在一篇论文中首次描述的CeSiI可能具有一些有趣的电子特性。它的第一站（在Posey想出如何准备对空气极其敏感的晶体进行运输之后）是在Abhay Pasupathy位于哥伦比亚的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定光谱形状特征。然后，Posey合成了一种与CeSiI相当的非磁性等价物，并通过它们的热容量称量了两种材料的电子。CeSiI的重量更重。“通过比较两者 – 一个有磁自旋，一个没有 – 我们可以确认我们已经创造了一个重费米子，”Posey说。
然后，样本穿过校园和全国进行进一步分析，包括前往布鲁克海文国家实验室的Pasupathy实验室进行光发射光谱分析;菲利普·金（Philip Kim）在哈佛大学的实验室进行电子传递测量;并前往佛罗里达州的国家高磁场实验室研究其磁特性。在此过程中，哥伦比亚大学的理论家安德鲁·米利斯（Andrew Millis）和马克斯·普朗克（Max Planck）的安吉尔·卢比奥（Angel Rubio）帮助解释了这些团队的观察结果。
未来的研究和材料操纵
从这里开始，哥伦比亚大学的研究人员将对2D材料做他们最擅长的事情：堆叠、拉紧、戳戳和刺激它们，看看可以从它们中哄出哪些独特的量子行为。Pasupathy计划将CeSiI添加到他的材料库中，以寻找量子临界性，即材料从一个独特相转移到另一个独特相的点。在交叉点上，像超导性这样的有趣现象可能会等待着。
“在2D极限下操纵CeSiI将使我们能够探索实现量子临界的新途径，”Roy小组的博士后和共同通讯作者Michael Ziebel说，“这可以指导我们设计新材料。
二维重费米子研究的扩展
回到化学系，Posey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 – 以产生具有自己独特性质的相关重费米子进行研究。“我们最初认为CeSiI是一次性的，”罗伊说。“但这个项目在我的团队中已经发展成为一种新的化学反应。
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