Forscher der Universität Uppsala und andere Mitarbeiter entdeckten in einer kürzlich in Nature veröffentlichten Studie ein neues zweidimensionales Quantenmaterial. Das bahnbrechende Material, bestehend aus atomar dünnen Schichten aus Cer, Silizium und Jod (CeSiI), markiert das erste Mal, dass ein zweidimensionales Material mit schweren Fermionen auftaucht.
„Die Elektronen in CeSiI sind 100-mal massereicher als die in gewöhnlichen Materialien. Deshalb werden sie schwere Fermionen genannt.“ „Das Besondere an CeSiI ist, dass diese effektive Masse anisotrop ist und von der Richtung abhängt, in die sich die Elektronen in der Atomschicht bewegen“, sagte Chin-ShenOng, einer der Forscher an der Universität Uppsala, die hinter der Studie standen.
Die Studie ist das Ergebnis einer Zusammenarbeit zwischen Materialtheorieforschern der Universität Uppsala und Forschern der Columbia University in den Vereinigten Staaten. Für Materialforscher an der Universität Uppsala besteht das Hauptproblem darin, die Quanteneigenschaften von Elektronen in Materialien theoretisch zu untersuchen.
Hintergrund und Bedeutung schwerer Fermionen
Schwere Fermionenverbindungen sind eine Klasse von Materialien mit extrem starken Elektronenwechselwirkungen. Dabei bewegen sie sich in sogenannten Quantenfluktuationen koordiniert. Durch diese Wechselwirkung sind die Elektronen 100- bis 1.000-mal massereicher als Elektronen in gewöhnlichen Materialien. Es wird angenommen, dass diese Quantenfluktuationen eine wichtige Rolle bei vielen bisher ungeklärten Quantenphänomenen spielen, etwa bei der unkonventionellen Supraleitung (bei der elektrischer Strom durch Materialien fließen kann, ohne Energie zu verlieren) und dem Magnetismus.
Schwere Fermionmaterialien werden seit Jahrzehnten untersucht, doch bisher lag der Schwerpunkt auf Materialien, in denen Atome dicht in dreidimensionalen Strukturen gepackt sind. Bereits in den 1970er Jahren begannen Forscher der Universität Uppsala, sich auf Materialien auf Cerbasis zu konzentrieren und erzielten große Erfolge.
Das neue Material, das in einem Labor der Columbia University synthetisiert wurde, ist jedoch einzigartig, da es eine zweidimensionale Kristallstruktur mit klarer Trennung zwischen den Schichten und einer sehr dünnen atomaren Dicke aufweist. Die Schichten, bestehend aus Schichten aus Cer, Silizium und Jod (CeSiI), sind das erste zweidimensionale Material mit schweren Fermionen.
„Mit dieser Entdeckung verfügen wir nun über eine deutlich verbesserte Materialplattform, mit der wir relevante elektronische Strukturen untersuchen können. 2D-Materialien sind wie Legosteine. Unsere Partner arbeiten bereits daran, Schichten anderer 2D-Materialien hinzuzufügen, um ein neues Material mit maßgeschneiderten Quanteneigenschaften zu schaffen“, sagt Chin-ShenOng.
Zusammengestellte Quelle: ScitechDaily