Elektroner blir tunga eller lätta beroende på deras rörelse i tvådimensionellt material

Resultaten, som publicerats i Nature Physics, avslöjar att elektronens massa styrs av formen på elektronmolnen, så kallade orbitaler, runt atomerna. Precis som en blomma har kronblad som pekar i specifika riktningar, visar den nya studien att även elektronmolnen har mönster som gör att vissa riktningar i materialet skiljer sig fundamentalt åt från andra. Detta ger nya möjligheter att utforska och designa framtida kvantmaterial.

Vardagliga föremål väger lika mycket oavsett hur man flyttar runt dem, så länge deras hastighet inte närmar sig ljusets. Men i materialens kvantvärld verkar elektroner ha olika effektiva massor beroende på hur de interagerar med sin omgivning. I så kallade tunga fermionmaterial växelverkar rörliga elektroner starkt med elektroner som är tätt bundna till magnetiska atomer. Genom denna interaktion blir de rörliga elektronerna så kallade tunga fermioner, som är en ny typ av laddningsbärare som rör sig betydligt långsammare och beter sig som om de hade en enorm massa.

Hittills har beteendet hos tunga fermioner framförallt studerats i tredimensionella material, där elektroner kan röra sig i kristallens alla riktningar. I tredimensionella material finns också den växelverkan som ger upphov till tunga fermioner, men i de tredimensionella materialen blir elektronerna tunga i alla riktningar, alltså oavsett hur de rör sig genom materialet. Yttre faktorer, såsom tryck eller om man byter ut vissa atomer i materialen, kan förändra hur stark växelverkan blir. De yttre faktorerna kan också ändras något i vissa riktningar, men det påverkar vanligtvis inte materialet i stort och kan inte eliminerar tunga fermioners beteende längs med någon specifik riktning.

Riktningsberoende växelverkan för CeSiI

Men för ceriumkiseljodid, CeSiI, ser det annorlunda ut. Ceriumkiseljodid består av svagt sammankopplade skikt som kan skalas av till tvådimensionella lager, som bara är några atomer tjocka. Inom varje tvådimensionellt lager begränsas elektronernas rörelse i stort sett till ett plan, som kan liknas vid ett tvådimensionellt material. Den elektroniska miljön i det tvådimensionella materialet skiljer sig fundamentalt från konventionellt tredimensionella material med tunga fermioner just genom att den är starkt riktningsberoende.

För att undersöka hur den tvådimensionella strukturen för CeSiI påverkar elektronernas beteende använde sig forskargruppen dels av dels av teoretiska beräkningar och dels av experimentella undersökningar med sveptunnelmikroskopi, som är en teknik som avbildar elektronernas beteende med atomär upplösning. I experimenten kunde de se tydliga tecken på riktningsberoende elektronbeteende och de teoretiska beräkningarna visade hur den tvådimensionella strukturen och atomstrukturen hos CeSiI ger upphov till denna effekt.

– Vi kunde se att växelverkan mellan elektroner som är tätt bundna till de magnetiska ceriumatomerna och elektroner som rör sig genom materialet, är starkt beroende av rörelseriktningen. Denna växelverkan, som kallas hybridisering, försvinner i specifika riktningar i materialet på grund av ceriumelektronmolnets form. Det innebär att samma elektroner kan bete sig antingen som tunga eller lätta, beroende på hur de rör sig genom materialet, säger Chin Shen Ong, forskare vid Institutionen för fysik och astronomi.

Det forskargruppen kom fram till var att den elektroniska miljön i CeSiI isolerar ett elektronmoln runt de magnetiska ceriumatomerna och skiljer sig mellan olika riktningar. Elektronmolnet kan i sin form liknas vid en blomma som omger atomen. Elektronerna som rör sig genom materialet och passerar genom kronbladsregionerna växelverkar starkt med de magnetiska ceriumatomerna, saktas ner och blir tunga. De elektroner som istället rör sig mellan kronbladen, så kallade noder, växelverkar inte och förblir lätta.

En ny kontrollmekanism

Att det uppstår en skillnad mellan elektronerna som rör sig igenom materialet och elektronerna som rör sig mellan noderna, är en naturlig följd av ceriumkiseljodids atomstruktur. Detta beror alltså inte på någon yttre påverkan som är fallet för vanliga metaller, såsom koppar och aluminium, där yttre påverkan kan förändra hur elektroner reagerar inuti materialet.

Effekterna för CeSiI skiljer sig också från traditionella tungfermionmaterial, där elektroner kan bli flera storleksordningar tyngre, men det sker vanligtvis på ett enhetligt sätt i hela materialet snarare än på ett riktningsberoende sätt.

De nya resultaten introducerar därmed ett inneboende sätt att skilja mellan tunga och lätta elektroniska beteende inom ett enda material. Istället för att styras från utsidan av materialet är beteendet direkt inbyggt i hur elektronerna är ordnade och interagerar inuti CeSiI.

Framtida tillämpningar inom kvantteknologi

De nya resultaten att samma elektroner kan agera som tunga eller lätta beroende på deras rörelseriktning i ett tvådimensionellt material öppnar upp nya möjligheter för att utforska kvantfenomen. En tydlig effekt är hur CeSiI leder elektricitet och värme. Materialet uppvisar ett ovanligt lågt elektriskt motstånd trots att det lagrar en stor mängd värme. Detta beror på att den elektriska strömmen huvudsakligen transporteras av de lätta elektronerna, medan de tunga elektronerna dominerar materialets förmåga att lagra värmeenergi.

– Ceriumbaserade system fortsätter att överraska oss med sina unika fysikaliska och kemiska egenskaper. På sikt kan denna kunskap bidra till utvecklingen av material med skräddarsydda elektroniska egenskaper, säger Olle Eriksson, professor vid Uppsala universitet och vice föreståndare för WISE (Wallenberg Initiative Materials Science for Sustainability).

Förutom sina transportegenskaper blir CeSiI magnetiskt under 7 kelvin (−266 °C), en temperatur som bara ligger några kelvin över temperaturen i rymden. Vid denna temperatur riktar sig närliggande atomära magnetiska momenten i motsatta riktningar. De aktuella mätningarna genomfördes strax ovanför denna övergång.

Ett viktigt nästa steg är att undersöka materialet vid ännu lägre temperaturer, där samspelet mellan tunga elektroner och magnetism blir mer framträdande. Att studera detta i ett tvådimensionellt system kan avslöja nya kollektiva kvanttillstånd och ge en djupare förståelse för hur starkt interagerande elektroner beter sig när konkurrerande elektroniska tendenser är nära balanserade. Mer generellt pekar resultaten för de tvådimensionella materialen med tunga fermioner på att det finns lovande möjligheter att upptäcka, och potentiellt styra, nya kvantfenomen i material.