Onderzoekers van de Universiteit van Uppsala en andere medewerkers ontdekten een nieuw tweedimensionaal kwantummateriaal in een onderzoek dat onlangs in Nature werd gepubliceerd. Het baanbrekende materiaal, samengesteld uit atomair dunne lagen cerium, silicium en jodium (CeSiI), markeert de eerste keer dat een tweedimensionaal materiaal met zware fermionen is verschenen.
"De elektronen in CeSiI zijn 100 keer massiever dan die in gewone materialen. Daarom worden ze zware fermionen genoemd." "Het bijzondere aan CeSiI is dat deze effectieve massa anisotroop is en afhangt van de richting waarin de elektronen in de atoomlaag bewegen", zegt Chin-ShenOng, een van de onderzoekers aan de universiteit van Uppsala achter het onderzoek.
De studie is het resultaat van een samenwerking tussen materiaaltheoretische onderzoekers van de Universiteit van Uppsala en onderzoekers van de Columbia University in de Verenigde Staten. Voor materiaalonderzoekers aan de Universiteit van Uppsala is het grootste probleem het theoretisch bestuderen van de kwantumeigenschappen van elektronen in materialen.
De achtergrond en betekenis van zware fermionen
Zware fermionverbindingen zijn een klasse materialen met extreem sterke elektroneninteracties. Daarbij bewegen ze in gecoördineerde bewegingen in zogenaamde kwantumfluctuaties. Deze interactie maakt de elektronen 100 tot 1000 keer massiever dan elektronen in gewone materialen. Er wordt aangenomen dat deze kwantumfluctuaties een belangrijke rol spelen in veel tot nu toe onverklaarde kwantumfenomenen, zoals onconventionele supergeleiding (waarbij elektrische stroom door materialen kan gaan zonder energie te verliezen) en magnetisme.
Zware fermionmaterialen worden al tientallen jaren bestudeerd, maar tot nu toe lag de focus op materialen waarin atomen dicht opeengepakt zitten in driedimensionale structuren. Al in de jaren zeventig begonnen onderzoekers van de Universiteit van Uppsala zich te concentreren op materialen op basis van cerium en boekten grote successen.
Het nieuwe materiaal, gesynthetiseerd in een laboratorium van Columbia University, is echter uniek omdat het een tweedimensionaal-achtige kristalstructuur heeft met een duidelijke scheiding tussen de lagen en een zeer dunne atomaire dikte. De lagen, samengesteld uit lagen cerium, silicium en jodium (CeSiI), zijn het eerste tweedimensionale materiaal met zware fermionen.
"Met deze ontdekking hebben we nu een enorm verbeterd materialenplatform waarmee we relevante elektronische structuren kunnen bestuderen. 2D-materialen zijn als Legoblokjes. Onze partners werken al aan het toevoegen van lagen van andere 2D-materialen om een nieuw materiaal te creëren met op maat gemaakte kwantumeigenschappen", zegt Chin-ShenOng.
Samengestelde bron: ScitechDaily