Физики впервые напрямую обнаружили тяжёлые фермионы на границе атомарного слоя и металла
Физики из Японии получили прямые экспериментальные свидетельства существования тяжёлых фермионов на границе двумерного атомарного слоя и обычного трёхмерного металла. Результат открывает новую платформу для изучения сильно коррелированных электронных состояний и взаимодействия двумерных квантовых материалов с металлическими подложками.
Исследователи создали одноатомный слой интерметаллического соединения YbCu₂ на поверхности монокристалла меди Cu(111). Электронную структуру полученной системы они исследовали с помощью фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением — ARPES.
Тяжёлые фермионы возникают в некоторых материалах из-за сильного взаимодействия между локализованными и подвижными электронами. В результате электроны ведут себя как квазичастицы с эффективной массой, значительно превышающей массу свободного электрона. Такие системы представляют особый интерес для физики конденсированного состояния и исследований необычной сверхпроводимости и квантовых фаз вещества.
В эксперименте локализованные 4f-электроны атомов иттербия в слое YbCu₂ взаимодействовали с подвижными электронами медной подложки. Высокоточные измерения позволили непосредственно проследить гибридизацию электронных состояний и обнаружить характерную электронную структуру тяжёлых фермионов.
Особенность системы заключается в том, что здесь взаимодействуют материалы разной размерности. YbCu₂ образует двумерное тяжёлое фермионное состояние толщиной всего в один атомный слой, тогда как медная подложка остаётся трёхмерным металлом.
Измерения проводились при температурах вплоть до примерно 7 К. Характерная температура когерентности двумерного тяжёлого фермионного состояния составила около 30 К. Кроме того, на границе материалов исследователи обнаружили муаровую сверхструктуру с периодом приблизительно 2,5 нм.
Авторы отмечают, что тяжёлые фермионы уже изучались в объёмных материалах и двумерных системах. Однако новая работа дала прямые спектроскопические свидетельства их формирования именно на интерфейсе атомарного слоя с трёхмерным металлом.
Такую архитектуру можно использовать для исследования того, как взаимодействие электронов меняется на границах материалов. В перспективе подобные интерфейсы могут стать платформой для поиска новых сильно коррелированных электронных состояний.
При этом работа пока относится к фундаментальной физике. Исследователи не обнаружили в системе сверхпроводимость и не продемонстрировали квантовое электронное устройство. Возможность появления необычной сверхпроводимости и других квантовых фаз рассматривается как направление дальнейших исследований.
Исследование в журнале Communications Materials.