Investigadores de la Universidad de Columbia han sintetizado con éxito el primer material bidimensional de fermiones pesados. Presentan el nuevo material, un cristal intermetálico en capas compuesto de cerio, silicio y yodo (CeSiI), en un artículo de investigación publicado hoy (17 de enero) en la revista científica Nature.
Los compuestos de fermiones pesados son una clase de materiales en los que los electrones son hasta 1.000 veces más pesados de lo habitual. En estos materiales, los electrones se entrelazan con espines magnéticos, lo que los ralentiza y aumenta su masa efectiva. Se cree que esta interacción juega un papel importante en muchos fenómenos cuánticos misteriosos, incluida la superconductividad, el movimiento de la corriente eléctrica con resistencia cero.
Los investigadores llevan décadas explorando fermiones pesados, pero sólo en forma de cristales tridimensionales voluminosos. El nuevo material, sintetizado por la estudiante de doctorado Victoria Posey en el laboratorio del químico Xavier Roy de la Universidad de Columbia, permitirá a los investigadores descender una dimensión.
"Hemos sentado una nueva base para explorar la física fundamental y detectar fases cuánticas únicas", dijo Posey.
Uno de los materiales más nuevos del laboratorio de Roy, el CeSiI, es un cristal de van der Waals que puede exfoliarse en capas de sólo unos pocos átomos de espesor. Esto hace que sea más fácil de manipular y combinar con otros materiales además de los cristales a granel, además de tener las propiedades cuánticas potenciales de los cristales bidimensionales. "Es sorprendente que el laboratorio de Posey y Roy fuera capaz de producir fermiones pesados tan pequeños y tan delgados", dijo el autor principal Abhay Pasupathy, físico de la Universidad de Columbia y del Laboratorio Nacional Brookhaven. "Al igual que vimos recientemente con el Premio Nobel otorgado a los puntos cuánticos, se pueden hacer muchas cosas interesantes cuando se reduce el tamaño".
CeSiI: una nueva frontera cuántica
Debido a que la oblea de silicio del medio está intercalada entre átomos magnéticos de cerio, Posey y sus colegas sospecharon que el CeSiI, descrito por primera vez en un artículo de 1998, podría tener algunas propiedades electrónicas interesantes. Su primera parada (después de que Posey descubriera cómo preparar cristales extremadamente sensibles al aire para su transmisión) fue el microscopio de efecto túnel (STM) en el Laboratorio de Física Abhay Pasupathy de la Universidad de Columbia. A través de STM, observaron la forma espectral característica de los fermiones pesados. Luego, Posey sintetizó materiales no magnéticos comparables al CeSiI y pesó los electrones de ambos materiales según su capacidad calorífica. Los electrones del CeSiI son más pesados. "Al comparar dos materiales, uno con espín magnético y otro sin espín magnético, pudimos confirmar que habíamos creado un fermión pesado", dijo Posey.
Posteriormente, la muestra se sometió a análisis adicionales en el campus y en todo el país, incluido el Laboratorio Pasupati del Laboratorio Nacional Brookhaven para espectroscopia de emisión óptica; al Laboratorio Philip King de la Universidad de Harvard para mediciones del transporte de electrones; y al Laboratorio Nacional de Alto Campo Magnético en Florida para estudiar sus propiedades magnéticas. En el camino, los teóricos Andrew Millis de la Universidad de Columbia y Angel Rubio de Max Planck ayudaron a explicar las observaciones del equipo.
Futuras investigaciones y manipulación de materiales.
De ahora en adelante, los investigadores de la Universidad de Columbia harán lo que mejor saben hacer con materiales bidimensionales: apilarlos, tensarlos, arrancarlos y pincharlos para ver qué comportamientos cuánticos únicos se pueden obtener de ellos. Pasupathy planea agregar CeSiI a su biblioteca de materiales para buscar puntos críticos cuánticos, los puntos en los que un material pasa de una fase única a otra. En la intersección pueden ocurrir fenómenos interesantes como la superconductividad.
"La manipulación de CeSiI en el límite bidimensional nos permitirá explorar nuevas formas de lograr la criticidad cuántica, que puede guiarnos en el diseño de nuevos materiales", dijo el coautor correspondiente Michael Ziebel, postdoctorado en el grupo de Roy.
De vuelta en el departamento de química, Posey, que había perfeccionado las técnicas de síntesis sin aire necesarias, reemplazaba sistemáticamente átomos en los cristales (por ejemplo, intercambiando silicio por otros metales como aluminio o galio) para crear fermiones pesados relevantes con sus propias propiedades únicas para estudiar. "Inicialmente pensamos que CeSiI era algo excepcional", dijo Roy. "Pero el proyecto se ha convertido en una nueva química en mi grupo de investigación".
Fuente compilada: ScitechDaily