جامعة كولومبيا تصنع أول مادة فرميون ثقيلة ثنائية الأبعاد CeSiI

واحدة من أحدث المواد من مختبر روي، CeSiI هي بلورة فان دير فال التي يمكن تقشيرها إلى طبقات لا يزيد سمكها عن بضع ذرات. وهذا يجعل من السهل التعامل والدمج مع مواد أخرى غير البلورات السائبة، بالإضافة إلى وجود الخصائص الكمومية المحتملة للبلورات ثنائية الأبعاد. وقال أبهاي باسوباثي، كبير الباحثين، وهو فيزيائي في جامعة كولومبيا ومختبر بروكهافن الوطني: "إنه لأمر مدهش أن مختبر بوسي وروي كانا قادرين على صنع فرميونات ثقيلة صغيرة ورقيقة للغاية". "تمامًا كما رأينا مؤخرًا مع منح جائزة نوبل للنقاط الكمومية، يمكنك القيام بالكثير من الأشياء المثيرة للاهتمام عندما تقوم بتقليص الحجم."

CeSiI: حدود الكم الجديدة

نظرًا لأن رقاقة السيليكون الوسطى محصورة بين ذرات السيريوم المغناطيسية، اشتبهت بوسي وزملاؤها في أن CeSiI، الذي تم وصفه لأول مرة في ورقة بحثية عام 1998، قد يكون له بعض الخصائص الإلكترونية المثيرة للاهتمام. كانت محطتهم الأولى (بعد أن اكتشف بوسي كيفية تحضير مثل هذه البلورات شديدة الحساسية للهواء للإرسال) هي المجهر النفقي الماسح (STM) في مختبر أبهاي باسوباثي للفيزياء بجامعة كولومبيا. ومن خلال STM، لاحظوا الشكل الطيفي المميز للفرميونات الثقيلة. قام بوسي بعد ذلك بتصنيع مواد غير مغناطيسية مماثلة لـ CeSiI ووزن إلكترونات كلتا المادتين بقدرتها الحرارية. إلكترونات CeSiI أثقل. وقال بوسي: "من خلال مقارنة مادتين - واحدة ذات دوران مغناطيسي والأخرى بدون دوران مغناطيسي - يمكننا أن نؤكد أننا قد خلقنا فيرميونًا ثقيلًا".

خضعت العينة بعد ذلك لتحليلات إضافية في الحرم الجامعي وفي جميع أنحاء البلاد، بما في ذلك مختبر باسوباتي التابع لمختبر بروكهافن الوطني للتحليل الطيفي للانبعاث البصري؛ وإلى مختبر فيليب كينج بجامعة هارفارد لقياسات نقل الإلكترون؛ وإلى المختبر الوطني للمجال المغناطيسي العالي في فلوريدا لدراسة خصائصه المغناطيسية. وعلى طول الطريق، ساعد المنظران من جامعة كولومبيا، أندرو ميليس، وأنجيل روبيو من ماكس بلانك، في شرح ملاحظات الفريق.

البحوث المستقبلية والتلاعب بالمواد

من الآن فصاعدًا، سيفعل الباحثون في جامعة كولومبيا أفضل ما يجيدونه مع المواد ثنائية الأبعاد: تكديسها، وتصفيتها، وانتزاعها، وكزها لمعرفة السلوكيات الكمومية الفريدة التي يمكن استخلاصها منها. يخطط باسوباثي لإضافة CeSiI إلى مكتبته من المواد للبحث عن النقاط الحرجة الكمومية، وهي النقاط التي تنتقل عندها المادة من مرحلة فريدة إلى أخرى. عند التقاطع، قد تحدث ظواهر مثيرة للاهتمام مثل الموصلية الفائقة.

قال المؤلف المشارك مايكل زيبل، وهو باحث ما بعد الدكتوراه في مجموعة روي: "إن معالجة CeSiI في الحد ثنائي الأبعاد سيسمح لنا باستكشاف طرق جديدة لتحقيق الأهمية الكمومية، والتي يمكن أن ترشدنا في تصميم مواد جديدة".

بالعودة إلى قسم الكيمياء، كان بوسي، الذي أتقن تقنيات التخليق المطلوبة الخالية من الهواء، يستبدل الذرات الموجودة في البلورات بشكل منهجي - على سبيل المثال، استبدال السيليكون بمعادن أخرى مثل الألومنيوم أو الغاليوم - لإنشاء فرميونات ثقيلة ذات صلة بخصائصها الفريدة للدراسة. قال روي: "اعتقدنا في البداية أن CeSiI كان حدثًا لمرة واحدة". "لكن المشروع ازدهر وتحول إلى كيمياء جديدة في مجموعتي البحثية."

المصدر المجمع: ScitechDaily