Robert Klatt
Physiker haben erstmals ein zweidimensionales Strange Metal erzeugt. Weil die Elektronen an Magnetspins gekoppelt sind, bilden sie Quasiteilchen, die dem Material besondere elektrische und thermische Eigenschaften verleihen. Das Material bildet die Basis für die Erforschung von exotischen Quantenzuständen.
New York City (U.S.A.). In der Physik sind Strange Metals aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften bekannt. Bei Raumtemperatur leiten sie Strom deutlich schlechter als normale Metalle, bei sehr niedrigen Temperaturen sind die hingegen oft supraleitend. Außerdem sind auch die magnetischen Eigenschaften der Metalle ungewöhnlich. Wieso sich Strange Metals so verhalten, konnte bisher nicht vollumfänglich geklärt werden. Es ist lediglich bekannt, dass dies unter anderem die quantenphysikalische Kopplung der Elektronen verursacht wird.
Innerhalb der ohnehin ungewöhnlichen Strange Metals bilden Schwerfermionen-Metalle eine Untergruppe, bei der die Kopplung der magnetischen Spins der Atome mit den Elektronen zu besonderen Eigenschaften führt. Die spezielle Kopplung führt laut Forscher der Columbia University um Victoria Posey dazu, dass die Elektronen zu Quasiteilchen mit einer tausendfach höheren Masse als normal werden.
„Solche Schwerfermionen-Metalle gelten dadurch als Prototyp-Systeme für die Erforschung von Quantenphasen, die durch Elektroneninteraktion entstehen.“
Weil sich die Quanteneigenschaften von dreidimensionalen Schwerfermionen-Metallen kaum beobachten lassen, versuchen Wissenschaftler seit Langem zweidimensionale Schwerfermionen-Metalle zu produzieren. Zweidimensionale Materialien bestehen aus einer nur wenigen Atomlagen dünnen Schicht. Laut ihrer Publikation im Fachmagazin Nature haben die Physiker um Posey deshalb Elementkombinationen gesucht, die die typischen Elektroneneigenschaften besitzen und eine einlagige Schicht bilden.
Dabei entdeckten sie, dass die Elemente Cer, Silizium und Iod eine Struktur bilden, deren einzelne Schichten unter bestimmten Bedingungen über Van-der-Waals-Kräfte verbunden sind. Es entsteht so eine Struktur, bei dem die Siliziumatome von Ceratomen und Iodatomen umgeben sind. Die bereits Legierung wurde schon 1998 entdeckt und galt als Schwerfermionen-Metall. Zuvor ist der experimentelle Nachweis aber bisher nicht gelungen.
Die Physiker der Columbia University haben nun erstmals die CeSiI-Legierung in Form eines zweidimensionalen Metalls produziert. Sie mischten dazu Ceriodid und Silizium in einer Stickstoffatmosphäre und erhitzten die Mischung dann langsam auf fast 1.000 Grad Celsius. Dabei entstanden Kristalle, von denen einzelne Schichten der Legierung entfernt werden können.
Anschließend haben die Forscher das Elektronenverhalten des zweidimensionalen metallischen Kristalls untersucht. Sie nutzten dazu Messungen der Wärmekapazität und ein Rasterkraftmikroskop. Die Ergebnisse haben sie mit einer Lanthan-Silizium-Iod-Verbindung verglichen, deren Struktur ähnlich ist, die aber kein Strange Metal ist.
„Indem wir beide Materialien verglichen haben – eines mit magnetischen Spins und eines ohne – konnten wir bestätigen, dass es sich beim zweidimensionalen CeSiI um ein Schwerfermionen-Metall handelt.“
Dass es sich um ein Schwerfermionen-Metall handelt, belegen unter anderem die hohe Wärmekapazität, Resonanzbanden im Energiespektrum und die plötzliche Veränderung der Leitfähigkeit bei geringen Temperaturen.
„Unsere Ergebnisse etablieren damit das Van-der-Waals-Metall CeSiI als 2D-Schwerfermionen-Antiferromagneten.“
Laut den Forscher bildet ihre Entdeckung die Basis für die Untersuchung von exotischen Quantenzuständen und die Entwicklung innovativer Materialien.
„Indem wir CeSiI am 2D-Limit manipulieren, können wir neue Wege hin zu einer Quantenkritikalität erkunden – und das könnte uns wieder dabei helfen, neuartige Materialien zu entwickeln.“
Nature, doi: 10.1038/s41586-023-06868-x
