یک راهکار جدید به دانشمندان اجازه می‌دهد تا مواد حاوی آنچه که به نام الکترون‌های سنگین شناخته می‌شود را پیدا کرده و بسازند، بدون اینکه نیاز به عناصر خاکی کمیاب یا آکتینیدها داشته باشند.

پنجاه سال پیش، فیزیکدان ها کشف کردند که برخی از ترکیبات فلزی الکترون‌هایی دارند که به گونه‌ای رفتار می‌کنند گویی که بسیار سنگین‌تر از الکترون‌های معمولی هستند. چنین مواد سنگین‌فرمیونی برای بررسی سیستم‌های الکترونی همبسته قوی و ابررسانایی غیرمعمول استفاده می‌شوند و می‌توانند در فناوری‌های مختلف کوانتومی کاربرد داشته باشند. با این حال، آن‌ها معمولاً به عناصر خاکی کمیاب یا آکتینید نیاز دارند که ممکن است نایاب، رادیواکتیو و استخراج آن‌ها دشوار باشد. اکنون لوکا دِ مدیچی Luca de’ Medici و همکارانش در آزمایشگاه فیزیک و مطالعات مواد (LPEM) فرانسه راهی را پیشنهاد و آزمایش کرده‌اند تا به‌طور سیستماتیک مواد سنگین‌فرمیونی تولید کنند که فاقد این عناصر مشکل‌ساز باشند [1].

اولین قدم در روش محققان، انتخاب یک ترکیب فلزی است که به عنوان فلز هوند (Hund metal) طبقه‌بندی می‌شود، ماده‌ای که خواص آن به شدت تحت تأثیر برهمکنش بین الکترون‌ها در مدارهای اتمی نیمه پر قرار دارد. قدم دوم این است که اتم‌های یک عنصر فلزی را با اتم‌های عنصر دیگری جایگزین کنیم تا زمانی که نوارهای رسانش ماده تقریباً نیمه پر از الکترون‌ها شوند. در آن حالت، الکترون‌ها در مدارهای اتمی خاص به شدت با یکدیگر برهمکنش دارند که باعث می‌شود به آرامی حرکت کنند و بنابراین سنگین به نظر برسند. این رفتار شبیه به الکترون‌ها در مواد سنگین‌فرمیونی است که حاوی خاک‌های کمیاب یا اکتینیدها هستند.

دی مدیچی و همکارانش تکنیک خود را به صورت تجربی با انتخاب فلز هوند که از سزیوم، آهن و آرسنیک ساخته شده است، به نمایش گذاشتند و سپس برخی از اتم‌های آهن را با اتم‌های کروم جایگزین کردند. پژوهشگران از طریق اندازه‌گیری‌های مقاومت، آسیب‌پذیری مغناطیسی و انبساط حرارتی ماده شواهدی چشمگیر از رفتار فرمیون سنگین یافتند. گروه می‌گوید که گام بعدی استفاده از این راهکار برای ایجاد دیگر مواد فرمیونی سنگین و بررسی خواص بالقوه سودمند آنها است.

-1 M. Crispino et al., “Paradigm for finding d-electron heavy fermions: The case of Cr-doped CsFe₂As₂,” Phys. Rev. Lett. 134, 076504 (2025).

منبع:

Generating Heavy Electrons Without Problematic Elements

ترجمه خبر: شهره کرمی