哥伦比亚大学的研究人员成功合成了第一个二维重费米子材料。他们在今天发表在《自然》杂志上的一篇研究文章中介绍了这种新材料，一种由铈、硅和碘 (CeSiI) 组成的层状金属间晶体。

重费米子化合物是一类电子比平常重 1000 倍的材料。在这些材料中，电子与磁自旋纠缠在一起，从而减慢电子速度并增加其有效质量。这种相互作用被认为在许多神秘的量子现象中发挥着重要作用，包括超导性、零电阻电流的运动。

数十年来，研究人员一直在探索重费米子，但其形式是大块的 3D 晶体。哥伦比亚化学家泽维尔·罗伊实验室的博士生维多利亚·波西合成的新材料将使研究人员能够降低一个维度。

“我们为探索基础物理和探索独特的量子相奠定了新的基础，”波西说。

CeSiI 是罗伊实验室推出的最新材料之一，它是一种范德华晶体，可以剥离成只有几个原子厚的层。除了拥有二维中潜在的量子特性之外，这使得它比块状晶体更容易操纵和与其他材料结合。“波西和罗伊实验室能够制造出如此小而薄的重费米子，这真是太神奇了，”哥伦比亚和布鲁克海文国家实验室的物理学家、资深作者阿拜·帕苏帕蒂 (Abhay Pasupathy) 说。“就像我们最近看到的诺贝尔奖授予量子点一样，当你缩小尺寸时，你可以做很多有趣的事情。”

1998 年的一篇论文首次描述了 CeSiI，其中间的硅片夹在磁性铈原子之间，Posey 和她的同事怀疑 CeSiI 可能具有一些有趣的电子特性。它的第一站(在波西弄清楚如何准备用于运输的对空气极其敏感的晶体之后)是位于哥伦比亚的 Abhay Pasupathy 物理实验室的扫描隧道显微镜 (STM)。通过 STM，他们观察到了重费米子的特定光谱形状特征。随后，波西合成了一种与 CeSiI 相当的非磁性材料，并通过热容对两种材料的电子进行了称重。CeSiI 更重。“通过比较两者——一个有磁自旋，一个没有——我们可以确认我们已经创造了一个重​​费米子，”波西说。

然后样本穿过校园和全国进行进一步的分析，包括前往布鲁克海文国家实验室的 Pasupathy 实验室进行光电子能谱分析;前往哈佛大学 Philip Kim 实验室进行电子传输测量;并前往佛罗里达州国家高磁场实验室研究其磁性。在此过程中，哥伦比亚大学的理论家安德鲁·米利斯和马克斯·普朗克的安吉尔·卢比奥帮助解释了团队的观察结果。

从这里开始，哥伦比亚大学的研究人员将尽他们最擅长的二维材料：堆叠、应变、戳刺和刺激它们，看看可以从它们中诱导出什么独特的量子行为。Pasupathy 计划将 CeSiI 添加到他的材料库中，以寻找量子临界点，即材料从一种独特的相转变为另一种相的点。在交叉处，超导等有趣的现象可能正在等待着。

Roy 小组的博士后兼通讯作者 Michael Ziebel 表示：“在二维极限下操纵 CeSiI 将使我们探索实现量子临界性的新途径，这可以指导我们设计新材料。”

回到化学系，波西已经完善了所需的无空气合成技术，正在系统地替换晶体中的原子，例如，将硅替换为铝或镓等其他金属，以用自己的重费米子制造相关的重费米子。独特的属性值得研究。“我们最初认为 CeSiI 是一次性的，”罗伊说。“但这个项目在我的团队中已经发展成为一种新的化学反应。”