Тяжелые фермионы обнаружили в гетероструктурах из дисульфида тантала

Изображение моно- и бислоев различных модификаций дисульфида тантала, полученное с помощью сканирующего туннельного микроскопа

Viliam Vaňo et al. / Nature, 2021

Финские физики сообщили об экспериментальном обнаружении тяжелых фермионов в вандерваальсовых гетероструктурах. Для этого они выращивали бислой из различных модификаций дисульфида тантала и исследовали его с помощью туннельного микроскопа. Исследование опубликовано в Nature.

Сопротивление чистых металлов обычно понижается при уменьшении температуры, в ряде случаев опускаясь до нуля в режим сверхпроводимости. Но в первой половине XX века появились свидетельства того, что небольшие примеси в них, наоборот, приводят к росту сопротивления при охлаждении ниже нескольких кельвин. Дзюн Кондо удовлетворительно объяснил этот эффект, предположив, что электроны проводимости вступают во взаимодействие с локальными магнитными моментами примесей.

Зачастую такое взаимодействие можно опосредовать, приписав электронам большую эффективную массу. Тяжелые фермионы стали платформой для исследования разнообразных экзотических эффектов, начиная от нефермиевого поведения квантовой жидкости и заканчивая необычной топологической сверхпроводимостью. До сих пор их наблюдали только в объемных металлических сплавах, содержащих редкоземельные элементы с 4f или 5f электронами. Такие среды уступают по возможностям контроля и манипуляции вандерваальсовским гетероструктурам, для которых характерно слабое взаимодействие между слоями, что открывает дорогу к созданию материалов с комбинацией различных свойств.

Финские физики из Университета Аалто при участии Вильяма Ваньо (Viliam Vaňo) показали, что правильным подбором слоев можно создать условия, при которых в гетероструктурах возникнут тяжелые фермионы. Один слой в этом случае выступает в качестве источника локальных магнитных моментов, принадлежащих состояниям, создаваемым волнами зарядовой плотности, в то время, как другой демонстрирует характерное металлическое поведение.

Для проверки этой идеи исследователи выращивали с помощью метода молекулярно-лучевой эпитаксии моно- и бислои 1T- и 1H-модификации дисульфида тантала TaS2 на высокоориентированном пиролитическом графите и исследовали их методами сканирующей туннельной микроскопии и спектроскопии. Физики ожидали, что в слое 1T-TaS2 волны зарядовой плотности формируют элементарные ячейки с большим магнитным моментом, который обменно связывается с электронами проводимости в нижележащем слое 1H-TaS2. Это приводит к образованию целой решетки из Кондо-примесей с практически плоской псевдофермионной резонансной модой. Гибридизация между ней и электронной модой приводит к характерному провалу в дисперсионных соотношениях, минимум которых может быть описан с помощью тяжелой эффективной массы. Такая особенность проявила бы себя в спектрах дифференциальной проводимости.

Чтобы увидеть ее, физики снимали спектры в разных точках моно- и бислоев дисульфида тантала. Для бислоя 1T/1H-TaS2 они обнаружили характерный пик в туннельном спектре при нулевом напряжении, который они связали с резонансом Кондо. Ширина и форма пика показала чувствительность к температуре и магнитному полю. Первое хорошо описывалось ранее известной формулой и позволило извлечь температуру Кондо, равную 18 кельвин. Изменение же магнитного поля позволило авторам увидеть предсказанное зеемановское расщепление резонанса, а также более тонкие, неизвестные эффекты, которые сигнализируют о более сложной физике.


В случае же, когда слой 1T-TaS2 находился ниже, чем 1H-TaS2, спектр проводимости, наоборот, демонстрировал провал. Форма этого провала также изменялась с ростом температуры. Физики показали, что такое поведение не может быть описано обычным тепловым уширением. Этот факт, а также целый ряд других экспериментальных закономерностей позволил им отбросить другие гипотезы, которые могли бы также объяснить возникновение провала, подтвердив, таким образом, существование тяжелых фермионов в образце.

Сканирующая туннельная спектроскопия — это мощный метод исследования твердых тел. Мы уже рассказывали, как измерения дифференциальной проводимости помогли разобраться с волновыми функциями квантовых точек и со сверхпроводимостью в двумерном графене.

Марат Хамадеев

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.