Химики из Колумбийского университета синтезировали первый искусственный 2D-материал с тяжелыми фермионами — квазичастицами, масса которых на 2–3 порядка превышает массу электронов в нормальных металлах. Созданный учеными слоистый интерметаллический кристалл состоит из церия, кремния и йода.

Исследование опубликовано в журнале Nature.

CeSiI — это кристалл Ван-дер-Ваальса, который можно разделить на слои толщиной всего в несколько атомов. Поскольку средний слой кремния зажат между магнитными атомами церия, исследователи предположили, что этот материал будет обладать интересными электронными свойствами.

С помощью сканирующего туннельного микроскопа ученые наблюдали особую форму спектра, характерную для тяжелых фермионов. Для дополнительного подтверждения ученые синтезировали немагнитный аналог CeSiI и взвесили электроны обоих материалов. Частицы в кристалле из церия, кремния и йода действительно были тяжелее.

«Сравнивая их — один с магнитным спином и один без него — мы можем подтвердить, что создали тяжелый фермион», — говорит Виктория Поузи, соавтор исследования.

В материалах с тяжелыми фермионами или просто в тяжелых фермионах электроны весят до 1000 раз больше. В таких материалах частицы «запутываются» в магнитных спинах, которые замедляют скорость электронов и увеличивают эффективную массу. Считается, что такие взаимодействия играют важную роль в ряде загадочных квантовых явлений, включая сверхпроводимость.

Исследователи десятилетиями исследовали тяжелые фермионы, но до сих пор им приходилось использовать неудобные трехмерные кристаллы. 2D-материал, напротив, можно складывать, деформировать и выполнять другие манипуляции, чтобы изучать квантовые эффекты, связанные с тяжелыми фермионами.