Nytt 2D-material med supertunga elektroner

Ett nytt 2D-kvantmaterial har upptäckts. Materialet består av atomtunna lager av cerium, kisel och jod (CeSiI) och är det första exemplet på ett 2D-material med så kallade tunga fermioner. Det presenteras i en ny studie, gjord av bland annat forskare i materialvetenskap vid Uppsala universitet, och som publiceras i den vetenskapliga tidskriften Nature.

Peer-review/Computational simulation/modeling and Experimental study

- Elektronerna i CeSiI beter sig som om de har upp till 100 gånger större massa än elektroner i vanliga material. Det är därför de kallas tunga fermioner. Det som är extra speciellt med CeSiI är att den här effektiva massan är anisotrop, att den beror på åt vilket håll elektronerna rör sig i atomlagren, säger Chin-Shen Ong, en av Uppsala-forskarna bakom studien.

Forskningen är ett samarbete mellan forskare i materialteori vid Uppsala universitet och forskare vid Columbia-universitetet i USA. För materialforskarna från Uppsala universitet var huvudfrågan att på teoretisk väg undersöka elektronernas kvantegenskaper i materialet.

Tunga fermionföreningar är en klass av material där elektronerna växelverkar med varandra ovanligt kraftigt. På så sätt samordnar de sina rörelser i så kallade kvantfluktuationer. Den här växelverkan gör att elektronerna beter sig som om de hade upp till 100 eller 1 000 gånger större massa än elektroner i vanliga material. Dessa kvantfluktuationer tror man spelar en viktig roll i ett antal hittills oförklarade kvantfenomen, till exempel okonventionell supraledning, där en elektrisk ström kan ledas genom ett material utan energiförlust, samt magnetism.

Forskningen kring material med tunga fermioner har pågått i decennier, men hittills har fokus varit på material där atomerna sitter tätt packade i en 3D-struktur. Redan under 1970-talet fokuserade forskare vid Uppsala universitet på ceriumbaserade material, och hade stora framgångar med det.

Det nya materialet, syntetiserat i laboratoriet vid Columbia University, är dock unikt då det har en 2D-liknande kristallstruktur med tydligt separerade, atomtunna lager. Lagren består av cerium, kisel och jod (CeSiI) och är det första exemplet på ett 2D-material med tunga fermioner.

- Med den här upptäckten har vi nu fått en väsentligt förbättrad materialplattform för att undersöka korrelerade elektronstrukturer. 2D-material är som en byggsats med legobitar. Våra samarbetspartners arbetar redan nu med att lägga till lager från andra 2D-material för att skapa ett nytt material med skräddarsydda kvantegenskaper, säger Chin-Shen Ong.

Artikeln: Victoria A. Posey et al.; 'Two-dimensional heavy fermions in the van der Waals metal CeSiI'; Nature volume 625, pages 483–488 (2024), DOI: 10.1038/s41586-023-06868-x , https://www.nature.com/articles/s41586-023-06868-x

För mer information:

Chin-Shen Ong, forskare vid institutionen för fysik och astronomi, Uppsala universitet, e-post: chinshen.ong@physics.uu.se (engelska)