يبدو الموليبدينيت ، حتى بالنسبة للعين المدربة ، مطابقًا تقريبًا للجرافيت - بلور فضي لامع. إنه يعمل بشكل مشابه أيضًا ، حيث يقذف الرقائق بطريقة تجعل ملء قلم الرصاص جيدًا. لكن بالنسبة للإلكترون ، فإن شبكتي الذرات تشكلان عوالم مختلفة. دخل التمييز لأول مرة في السجل العلمي منذ 244 عامًا. قام كارل شيل ، الكيميائي السويدي المشهور باكتشافه للأكسجين ، بإغراق كل معدن في أحماض متنوعة وشاهد سحب الغاز المتصاعدة. خلص شيل ، الذي دفع حياته في النهاية مقابل هذا النهج ، بعد وفاته بسبب تسمم المعادن الثقيلة المشتبه به في سن 43 ، إلى أن الموليبدينيت مادة جديدة. وصفه في رسالة إلى الأكاديمية الملكية السويدية للعلوم في عام 1778 ، كتب: "لا أشير هنا إلى الجرافيت المعروف الذي يمكن للمرء الحصول عليه من الصيدلية. يبدو أن هذا المعدن الانتقالي غير معروف ".
مع ميله إلى التقشر إلى أجزاء مسحوقية ، أصبح الموليبدينيت مادة تشحيم شائعة في القرن العشرين. ساعدت الزلاجات على الانزلاق أكثر عبر الثلج وسهلت خروج الرصاص من براميل البنادق في فيتنام.
اليوم ، هذا التقلب نفسه يغذي ثورة فيزيائية.
بدأت الاختراقات مع الجرافيت وشريط سكوتش. اكتشف الباحثون بالصدفة في عام 2004 أنه يمكنهم استخدام شريط لتقشير رقائق الجرافيت بسماكة ذرة واحدة فقط. هذه الصفائح البلورية ، كل منها عبارة عن مجموعة مسطحة من ذرات الكربون ، لها خصائص مذهلة تختلف اختلافًا جذريًا عن تلك الخاصة بالبلورات ثلاثية الأبعاد التي أتت منها. كان الجرافين (كما أطلق عليه مكتشفوه) فئة جديدة تمامًا من المواد - مادة ثنائية الأبعاد. أدى اكتشافه إلى تحويل فيزياء المادة المكثفة ، وهي فرع الفيزياء الذي يسعى إلى فهم الأشكال والسلوكيات العديدة للمادة. تقريبا النصف من بين جميع الفيزيائيين هم فيزيائيون للمادة المكثفة. إنه الحقل الفرعي الذي جلب لنا رقائق الكمبيوتر ، والليزر ، ومصابيح LED ، وآلات التصوير بالرنين المغناطيسي ، والألواح الشمسية ، وجميع أنواع الأعاجيب التكنولوجية الحديثة. بعد اكتشاف الجرافين ، بدأ الآلاف من علماء فيزياء المادة المكثفة بدراسة المادة الجديدة ، على أمل أن تدعم التقنيات المستقبلية.
حصل مكتشفو الجرافين على جائزة نوبل في الفيزياء عام 2010. في نفس العام ، اثنان من علماء الفيزياء الشباب في جامعة كولومبيا ، جي شان و كين فاي ماك، رأيت علامات على أن رقائق الموليبدينيت قد تكون سحرية أكثر من الجرافين. يحتوي المعدن الأقل شهرة على خصائص تجعل من الصعب دراسته - وهو صعب للغاية بالنسبة للعديد من المعامل - لكنه أسر شان وماك. كرس الثنائي العنيد ما يقرب من عقد من الزمن لمجادلة الموليبدينيت ثنائي الأبعاد (أو ثاني كبريتيد الموليبدينوم ، كما يُطلق على النسخة البلورية المزروعة في المختبر) وعائلة من البلورات ثنائية الأبعاد وثيقة الصلة.
الآن جهودهم تؤتي ثمارها. أظهر شان وماك ، المتزوجان الآن ويديران مجموعة بحثية مشتركة في جامعة كورنيل ، أن بلورات ثنائية الأبعاد لثاني كبريتيد الموليبدينوم وأقاربها يمكن أن تؤدي إلى تنوع هائل من الظواهر الكمومية الغريبة. قال "إنه ملعب مجنون" جيمس هون، وهو باحث في كولومبيا يزود مختبر كورنيل ببلورات عالية الجودة. "يمكنك القيام بكل فيزياء المادة المكثفة الحديثة في نظام مادة واحد."
استحوذت مجموعة شان وماك على إلكترونات تتصرف بطرق غير مسبوقة في هذه البلورات المسطحة. لقد قاموا بإقناع الجسيمات لتندمج في سائل كمي وتتجمد في مجموعة متنوعة من الهياكل الشبيهة بالجليد. لقد تعلموا تجميع شبكات من الذرات الاصطناعية العملاقة التي تعمل الآن كأحواض اختبار للنظريات الأساسية للمادة. منذ افتتاح مختبر كورنيل في عام 2018 ، نشر مروضو الإلكترون ثمانية أوراق بحثية مذهلة في الطبيعة، المجلة الأكثر شهرة في العلوم ، بالإضافة إلى عدد كبير من الأوراق البحثية الأخرى. يقول المنظرون إن الزوجين يوسعان من فهم ما يمكن أن تفعله حشود الإلكترونات.
قال إن أبحاثهم "مثيرة للإعجاب للغاية في العديد من الجوانب" فيليب كيم، عالم فيزياء المادة المكثفة البارز في جامعة هارفارد. "إنها ، كما أقول ، مثيرة."
ظهور مواد ثنائية الأبعاد
تعكس سمات المادة عمومًا ما تفعله إلكتروناتها. في الموصلات مثل المعادن ، على سبيل المثال ، تبحر الإلكترونات بين الذرات بسهولة ، وتحمل الكهرباء. في العوازل مثل الخشب والزجاج ، تبقى الإلكترونات في مكانها. تقع أشباه الموصلات مثل السيليكون بينهما: يمكن إجبار إلكتروناتها على التحرك مع تدفق الطاقة ، مما يجعلها مثالية لتشغيل وإيقاف التيارات - وظيفة الترانزستور. على مدار الخمسين عامًا الماضية ، إلى جانب سلوكيات الإلكترون الأساسية الثلاثة ، رأى علماء فيزياء المادة المكثفة أن الجسيمات المشحونة خفيفة الوزن تتصرف بطرق أكثر غرابة.
جاءت إحدى المفاجآت الأكثر إثارة في عام 1986 ، عندما قام باحثان من شركة IBM ، هما جورج بيدنورز وأليكس مولر ، الكشف عن تيار من الإلكترونات يتحرك عبر بلورة أكسيد النحاس ("cuprate") دون أي مقاومة على الإطلاق. هذه الموصلية الفائقة - قدرة الكهرباء على التدفق بكفاءة مثالية - قد شوهدت من قبل ، ولكن فقط لأسباب مفهومة جيدًا في المواد المبردة ضمن درجات قليلة من الصفر المطلق. هذه المرة ، لاحظ بيدنورز ومولر شكلاً غامضًا للظاهرة استمر عند 35 درجة كلن (أي 35 درجة فوق الصفر المطلق). سرعان ما اكتشف العلماء نحاسيات أخرى ذات الموصلية الفائقة فوق 100 درجة كلن. وُلد حلم ربما يظل هو الهدف الأول لفيزياء المادة المكثفة اليوم: إيجاد أو هندسة مادة يمكنها التوصيل الفائق للكهرباء في عالمنا الحار ، الذي تبلغ قوته 300 كلفن تقريبًا ، مما يتيح لخطوط الطاقة غير المنقوصة والمركبات المرتفعة وغيرها من الأجهزة عالية الكفاءة التي من شأنه أن يقلل بشكل كبير من احتياجات الطاقة البشرية.
إن مفتاح الموصلية الفائقة هو إقناع الإلكترونات ، التي تتنافر عادة مع بعضها البعض ، لتتزاوج وتشكل كيانات تعرف باسم البوزونات. يمكن للبوزونات بعد ذلك الاندماج بشكل جماعي في سائل كمي عديم الاحتكاك. يمكن للقوى الجاذبة التي تكوِّن البوزونات ، مثل الاهتزازات الذرية ، أن تتغلب عادةً على تنافر الإلكترونات فقط في درجات الحرارة شديدة البرودة أو ضغوط عالية. لكن الحاجة إلى هذه الظروف القاسية حالت دون أن تجد الموصلية الفائقة طريقها إلى الأجهزة اليومية. أثار اكتشاف النحاسات الآمال في أن الشبكة الذرية اليمنى يمكنها "لصق" الإلكترونات معًا بقوة بحيث تظل عالقة حتى في درجة حرارة الغرفة.
بعد مرور 40 عامًا على اكتشاف Bednorz و Müller ، لا يزال المنظرون غير متأكدين تمامًا من كيفية عمل الغراء في الكوبريتات ، ناهيك عن كيفية تعديل المواد لتقويته. وبالتالي ، فإن الكثير من الأبحاث في فيزياء المادة المكثفة هي عملية بحث عن طريق التجربة والخطأ عن البلورات التي يمكن أن تحافظ على إقران إلكتروناتها أو ترعى الإلكترونات بطرق أخرى رائعة. قال كيم: "المادة المكثفة هي فرع من فروع الفيزياء يسمح بالصدفة". كان هذا هو اكتشاف عام 2004 للمواد ثنائية الأبعاد.
أندريه جيم و كونستانتين نوفوسيلوف، بالعمل مع الجرافيت في جامعة مانشستر في المملكة المتحدة ، اكتشف نتيجة مروعة لتقشر المواد. تحتوي بلورة الجرافيت على ذرات كربون مرتبة في صفائح سداسية غير محكمة الترابط. توقع المنظرون منذ فترة طويلة أنه بدون تأثير استقرار المكدس ، فإن الاهتزازات الناتجة عن الحرارة ستفكك طبقة من طبقة واحدة. لكن جيم ونوفوسيلوف وجدا أنهما يمكن أن تقشر صفائح مستقرة ورقيقة ذريًا بما يزيد قليلاً عن الشريط اللاصق والمثابرة. كان الجرافين أول مادة مسطحة حقًا - مستوى يمكن للإلكترونات أن تنزلق فيه ولكن ليس لأعلى ولأسفل.
اكتشف Hone ، الفيزيائي من جامعة كولومبيا ، أن أنحف مادة في العالم بطريقة ما أيضا الأقوى. لقد كانت مفاجأة رائعة لمادة اعتقد المنظرون أنها لن تتماسك على الإطلاق.
أكثر ما أثار اهتمام الفيزيائيين بشأن الجرافين هو كيف حولت أرض الكربون المسطحة الإلكترونات: لا شيء يمكن أن يبطئها. غالبًا ما تتعثر الإلكترونات من خلال شبكة الذرات التي تتحرك من خلالها ، وتعمل أثقل من كتلة كتابها المدرسي (تعمل إلكترونات العازل غير المتحركة كما لو أن لديها كتلة غير محدودة). ومع ذلك ، فإن الشبكة المسطحة للجرافين تسمح للإلكترونات بالخفقان بسرعة مليون متر في الثانية - أبطأ ببضع مئات المرات من سرعة الضوء. عند هذه السرعة الثابتة المتقطعة ، طارت الإلكترونات كما لو لم يكن لديها كتلة على الإطلاق ، مباركة الجرافين بموصلية فائقة (وإن لم تكن فائقة).
نشأ حقل كامل حول المادة العجيبة. بدأ الباحثون أيضًا في التفكير على نطاق أوسع. هل يمكن أن تحتوي رقائق المواد الأخرى ثنائية الأبعاد على قوى خارقة خاصة بها؟ كان شحذ من بين أولئك الذين تفرّعوا. في عام 2 ، قام بقياس بعض الخصائص الميكانيكية لثنائي كبريتيد الموليبدينوم ثنائي الجرافيت ، ثم قام بتمرير البلورة إلى اثنين من المتخصصين في البصريات في مختبر كولومبيا في توني هاينز. لقد كانت خطوة غير رسمية من شأنها تغيير المهن لجميع المعنيين.
هبطت عينة ثاني كبريتيد الموليبدينوم في أيدي جي شان ، الأستاذة الزائرة في بداية حياتها المهنية ، وكين فاي ماك ، وهي طالبة دراسات عليا. كان الثنائي الشاب يدرسان كيفية تفاعل الجرافين مع الضوء ، لكنهما بدآ بالفعل في أحلام اليقظة حول المواد الأخرى. تجعل إلكترونات الجرافين السريعة من الجرافين موصلًا رائعًا ، لكن ما أرادوه هو شبه موصل ثنائي الأبعاد - مادة يمكن تشغيل وإيقاف تدفق الإلكترونات بها ، وبالتالي يمكن أن تعمل بمثابة ترانزستور.
كان من المعروف أن ثاني كبريتيد الموليبدينوم هو أحد أشباه الموصلات. وسرعان ما اكتشف شان وماك أنه ، مثل الجرافيت ، اكتسب قوى إضافية في 2D. عندما وجهوا ليزرًا على بلورات ثلاثية الأبعاد من "ثاني كبريتيد المولي" (كما يسمونه بشكل مؤثر) ، ظلت البلورات مظلمة. ولكن عندما مزق شان وماك الطبقات بشريط سكوتش وضربهما بالليزر وفحصهما تحت المجهر ، رأوا الألواح ثنائية الأبعاد تتألق بشكل ساطع.
أكدت الأبحاث التي أجرتها مجموعات أخرى لاحقًا أن الألواح المصنوعة جيدًا من مادة وثيقة الصلة تعكس كل فوتون آخر يضربها. قال ماك مؤخرًا ، عندما التقيت به وشان في مكتبهما المشترك في كورنيل: "هذا نوع من الحيرة للعقل". "لديك فقط ورقة واحدة من الذرات ، ويمكن أن تعكس 100٪ من الضوء مثل مرآة مثالية." لقد أدركوا أن هذه الخاصية قد تؤدي إلى أجهزة بصرية مذهلة.
بشكل مستقل ، فنغ وانغ، وهو فيزيائي في جامعة كاليفورنيا ، بيركلي ، قام بنفس الاكتشاف. جذبت مادة ثنائية الأبعاد كانت عاكسة للغاية وأشباه موصلات للإقلاع انتباه المجتمع. يبلغ قطر كلاً من مجموعات نشر النتائج التي توصلوا إليها في عام 2010 ؛ وقد تلقت الأوراق منذ ذلك الحين أكثر من 16,000 استشهاد فيما بينها. قال هون: "بدأ كل من لديه الليزر في الاهتمام جدًا بالمواد ثنائية الأبعاد".
من خلال تحديد ثاني كبريتيد المولي كمادة عجيبة ثانية ثنائية الأبعاد ، تمكنت المجموعتان من الوصول إلى اليابسة في قارة كاملة من المواد ثنائية الأبعاد. ينتمي ثاني كبريتيد المولي إلى عائلة من المواد المعروفة باسم ثنائي كالكوغينيدات المعدنية الانتقالية (TMDs) ، حيث ترتبط الذرات من المنطقة المعدنية الوسطى من الجدول الدوري مثل الموليبدينوم بأزواج من المركبات الكيميائية المعروفة باسم الكالكوجينيدات ، مثل الكبريت. ثاني كبريتيد المولي هو الوحيد الذي يحدث بشكل طبيعي في TMD ، ولكن هناك العشرات يمكن للباحثين إجراؤها في المختبرات - ثاني كبريتيد التنجستن ، الموليبدينوم ديتيلوريد وما إلى ذلك. يشكل معظمها أوراقًا ضعيفة الربط ، مما يجعلها عرضة للجانب التجاري لقطعة من الشريط اللاصق.
سرعان ما انحسرت الموجة الأولية من الإثارة ، حيث كافح الباحثون لجعل TMDs تفعل أكثر من التألق. تراجعت مجموعة وانج ، على سبيل المثال ، عن الجرافين بعد أن اكتشفوا أنهم لا يستطيعون بسهولة ربط الأقطاب الكهربائية المعدنية بثاني كبريتيد المولي. قال: "لقد كان هذا حجر عثرة لمجموعتنا لسنوات قليلة". "حتى الآن نحن لسنا بارعين في التواصل." يبدو أن الميزة الرئيسية لـ TMDs على الجرافين كانت أيضًا أكبر نقاط ضعفها: لدراسة الخصائص الإلكترونية للمادة ، يجب على الباحثين في كثير من الأحيان دفع الإلكترونات إليها وقياس مقاومة التيار الناتج. ولكن نظرًا لأن أشباه الموصلات هي موصلات رديئة ، فمن الصعب إدخال الإلكترونات أو خروجها.
شعر ماك وشان في البداية بالتناقض. قال ماك: "لم يكن واضحًا حقًا ما إذا كان علينا الاستمرار في العمل على الجرافين أو البدء في العمل على هذه المادة الجديدة". "ولكن نظرًا لأننا وجدنا أنها تتمتع بهذه الخاصية الرائعة ، فقد واصلنا إجراء بعض التجارب الأخرى."
أثناء عملهما ، أصبح الباحثان مفتونين بشكل متزايد بثاني كبريتيد المولي ، وبواسطة بعضهما البعض. في البداية ، كان اتصالهم احترافيًا ، وكان يقتصر إلى حد كبير على رسائل البريد الإلكتروني التي تركز على الأبحاث. "كان فاي يسأل في كثير من الأحيان ،" أين هذه القطعة من المعدات؟ قال شان. لكن علاقتهما ، التي احتضنتها ساعات طويلة وحفزها النجاح التجريبي ، تحولت في النهاية إلى علاقة رومانسية. قال ماك: "لقد رأينا بعضنا في كثير من الأحيان ، حرفيًا في نفس المختبر نعمل في نفس المشروع". "المشروع الذي يعمل بشكل جيد جعلنا سعداء أيضًا."
كل الفيزياء في كل وقت
سوف يتطلب الأمر شراكة بين اثنين من الفيزيائيين المخلصين مع الانضباط الحديدي لإيقاف اضطرابات المفصل الفكي الصدغي المزعجة.
يأتي الأكاديميون دائمًا بسهولة إلى شان. نشأت في السبعينيات في مقاطعة تشجيانغ الساحلية ، وكانت طالبة نجمة ، متفوقة في الرياضيات والعلوم واللغة وحصلت على مكان مرغوب فيه في جامعة العلوم والتكنولوجيا في الصين في خفي. هناك ، تأهلت لبرنامج التبادل الثقافي الانتقائي بين الصين والاتحاد السوفيتي ، واغتنمت الفرصة لدراسة اللغة الروسية والفيزياء في جامعة موسكو الحكومية. قالت: "عندما تكون مراهقًا ، فأنت متشوق لاستكشاف العالم". "لم أتردد."
على الفور ، رأت العالم أكثر مما كانت تتمناه. أخرت مشاكل التأشيرة وصولها إلى روسيا لبضعة أشهر ، وفقدت مقعدها في برنامج اللغة. وجدت لها السلطات مسارًا آخر ، وبعد وقت قصير من هبوطها في موسكو ، استقلت قطارًا وسافرت 5,000 كيلومتر شرقًا. بعد ثلاثة أيام وصلت إلى مدينة إيركوتسك في وسط سيبيريا في بداية فصل الشتاء. قالت: "النصيحة التي تلقيتها كانت ،" لا تلمس أي شيء أبدًا بدون قفازات "، خشية أن تتعثر.
احتفظت شان بقفازاتها ، وتعلمت اللغة الروسية في فصل دراسي واحد ، وأصبحت تقدر الجمال الصارخ للمناظر الطبيعية الشتوية. عندما انتهت الدورة وذوبان الجليد ، عادت إلى العاصمة لبدء دراستها في الفيزياء ، ووصلت موسكو في ربيع عام 1990 ، في خضم تفكك الاتحاد السوفيتي.
كانت تلك سنوات فوضوية. وشاهد شان الدبابات تتدحرج في الشوارع بالقرب من الجامعة بينما حاول الشيوعيون استعادة السيطرة على الحكومة. في مناسبة أخرى ، بعد الامتحان النهائي مباشرة ، اندلع القتال. قالت: "سمعنا إطلاق نار ، وقيل لنا أن نطفئ الأنوار في المسكن". كل شيء ، من الطعام إلى ورق التواليت ، تم تقنينه من خلال نظام القسائم. ومع ذلك ، شعرت شان بالإلهام من مرونة أساتذتها الذين واصلوا أبحاثهم على الرغم من الاضطرابات. كانت الظروف قاسية ، لكن كان لدى العديد من العلماء هذا النوع من المواقف. قالت: "إنهم يحبون ما يفعلونه حقًا ، على الرغم مما يحدث".
مع انهيار النظام العالمي ، ميزت شان نفسها ، حيث نشرت ورقة بصريات نظرية لفتت انتباه هاينز إلى جامعة كولومبيا. شجعها على التقديم ، وانتقلت إلى نيويورك ، حيث ساعدت أحيانًا الطلاب الدوليين الآخرين في الحصول على موطئ قدم في بلد أجنبي. قامت بتجنيد وانج للعمل في مختبر هاينز ، على سبيل المثال ، وتبادل النصائح التجريبية. قال: "لقد علمتني كيف أتحلى بالصبر ، وكيف لا أشعر بالإحباط من الليزر."
يشغل معظم الباحثين منصب ما بعد الدكتوراه بعد حصولهم على درجة الدكتوراه ، لكن شان انضمت إلى جامعة كيس ويسترن ريزيرف مباشرة كأستاذ مشارك في عام 2001. بعد عدة سنوات ، في إجازة ، عادت إلى مختبر هاينز في كولومبيا. لمرة واحدة ، كان توقيتها محظوظًا. بدأت التعاون مع طالب دراسات عليا ساحر وذو عيون مشرقة في مجموعة Heinz ، Kin Fai Mak.
كان ماك قد اتبع مسارًا مختلفًا أقل اضطرابًا إلى مدينة نيويورك. نشأ في هونغ كونغ ، وعانى في المدرسة ، لأن القليل من الفيزياء كان منطقيًا بالنسبة له. قال: "كان الشيء الوحيد الذي أحبه وكان جيدًا في الواقع ، لذلك اخترت الفيزياء".
تميزت أبحاثه الجامعية في جامعة هونغ كونغ ، وعاينه هاينز للانضمام إلى برنامج فيزياء المادة المكثفة المزدهر في كولومبيا. هناك ، ألقى بنفسه في البحث ، حيث أمضى كل ساعات يقظته تقريبًا في المختبر باستثناء لعبة كرة القدم العرضية. شاركت أندريا يونغ ، وهي طالبة خريجة زميلة (تعمل الآن أستاذًا مساعدًا في جامعة كاليفورنيا ، سانتا باربرا) ، شقة مع Mak في West 113th Street. "كنت محظوظًا إذا تمكنت من الإمساك به في الساعة 2 صباحًا لطهي بعض المعكرونة والتحدث عن الفيزياء. قال يونج: "كان كل شيء فيزياء طوال الوقت".
لكن الأوقات الجيدة لم تدم. بعد فترة وجيزة من رحلة إلى غابات الأمازون المطيرة في كولومبيا مع يونغ ، أصيب ماك بالمرض. لم يكن أطباؤه متأكدين مما يجب أن يفعلوه بنتائج اختباراته المحيرة ، وتفاقم المرض. صدفة محظوظة أنقذت حياته. وصف يونغ الوضع لوالده ، الباحث الطبي ، الذي تعرف على الفور على علامات فقر الدم اللاتنسجي - وهي حالة دم غير عادية تصادف أنها موضوع بحثه الخاص. قال ماك: "من النادر حقًا الإصابة بهذا المرض ، أولاً وقبل كل شيء". "بل والأندر أن تصاب بمرض يكون والد زميلك في السكن خبيرًا فيه."
ساعد والد يونغ ماك على التسجيل في العلاجات التجريبية. أمضى الكثير من سنته الأخيرة في المدرسة العليا في المستشفى وكاد يموت عدة مرات. طوال المحنة ، دفعه حماس ماك للفيزياء إلى مواصلة العمل. كان يكتب PRL قال يونغ في إشارة إلى المجلة "رسائل من سريره في المستشفى" استعراض للحروف البدنية. قال هاينز: "على الرغم من كل هذا ، كان من أكثر الطلاب إنتاجية على الإطلاق". "لقد كان شيئًا من المعجزة."
ساعدت العلاجات الإضافية في النهاية ماك على الشفاء التام. يونغ ، وهو نفسه خبير تجريبي معروف ، سخر لاحقًا من تدخلاته ، "من بين الأصدقاء أسميها أعظم مساهماتي في الفيزياء."
في 2D البرية
انتقل ماك إلى جامعة كورنيل كباحث ما بعد الدكتوراه في عام 2012 ، وفي ذلك الوقت كان شان قد عاد بالفعل إلى كيس ويسترن. تابعوا مشاريع فردية باستخدام الجرافين ومواد أخرى ، لكنهم استمروا أيضًا في الكشف عن المزيد من أسرار TMDs معًا.
في كورنيل ، تعلم ماك فن قياسات نقل الإلكترون - الطريقة الرئيسية الأخرى للتنبؤ بحركة الإلكترونات ، إلى جانب البصريات. جعلت هذه الخبرة منه وشان تهديدًا مزدوجًا في مجال يتخصص فيه الباحثون عادةً في نوع واحد أو آخر. قال كيم: "كلما قابلت فاي وجي ، أشتكي ،" إنه أمر غير عادل أنتم تنقلون يا رفاق ". "ماذا علي أن أفعل؟"
كلما عرف الثنائي المزيد عن اضطرابات المفصل الفكي الصدغي ، زاد اهتمامهما. يركز الباحثون عادةً على إحدى خاصيتين للإلكترونات: شحنتها ودورانها (أو الزخم الزاوي الداخلي). التحكم في تدفق الشحنة الكهربائية هو أساس الإلكترونيات الحديثة. ويمكن أن يؤدي دوران الإلكترونات المتقلب إلى أجهزة "الإلكترونيات السنية" التي تحزم المزيد من المعلومات في مساحات أصغر. في 2014، ساعد ماك في الاكتشاف أن الإلكترونات في ثنائي كبريتيد المولي ثنائي الأبعاد يمكن أن تكتسب خاصية ثالثة خاصة: يجب أن تتحرك هذه الإلكترونات بكميات محددة من الزخم ، وهي خاصية يمكن التحكم فيها تعرف باسم "الوادي" والتي يتوقع الباحثون أنها قد تفرخ مجالًا ثالثًا من تقنية "فاليترونيكس".
في نفس العام ، حدد ماك وشان ميزة أخرى مدهشة لـ TMDs. ليست الإلكترونات هي الكيانات الوحيدة التي تتحرك عبر البلورة. يتتبع الفيزيائيون أيضًا "الثقوب" ، وهي الوظائف الشاغرة التي تنشأ عندما تقفز الإلكترونات في مكان آخر. يمكن لهذه الثقوب أن تتجول في مادة مثل جزيئات حقيقية موجبة الشحنة. يجذب الثقب الموجب إلكترونًا سالبًا لتشكيل شراكة عابرة ، تُعرف باسم الإكسيتون ، في اللحظة التي تسبق أن يسد الإلكترون الفتحة. شان وماك قياس الجاذبية بين الإلكترونات والثقوب في ثنائي السيلنيد التنجستن ووجدته أقوى بمئات المرات من أشباه الموصلات ثلاثية الأبعاد النموذجية. ألمح الاكتشاف إلى أن الإكسيتونات في TMDs يمكن أن تكون قوية بشكل خاص ، وأن الإلكترونات بشكل عام كانت أكثر عرضة للقيام بكل أنواع الأشياء الغريبة.
حصل الزوجان على وظائف معًا في جامعة ولاية بنسلفانيا وبدأا مختبرًا هناك. مقتنعًا أخيرًا بأن TMDs تستحق المراهنة على حياتهم المهنية ، فقد جعلوا المواد محور تركيز مجموعتهم الجديدة. تزوجا أيضا.
في غضون ذلك ، رأى فريق Hone في كولومبيا أن خصائص الجرافين تصبح أكثر تطرفًا عندما وضعها فوق عازل عالي الجودة ، نيتريد البورون. لقد كان مثالًا مبكرًا على أحد أكثر جوانب المواد ثنائية الأبعاد حداثة: قابليتها للتكديس.
ضع مادة ثنائية الأبعاد فوق الأخرى ، وستبقى الطبقات متباعدة بمقدار جزء صغير من نانومتر - لا توجد مسافة على الإطلاق من منظور إلكتروناتها. نتيجة لذلك ، تندمج الأوراق المكدسة بشكل فعال في مادة واحدة. قال وانغ: "لا يقتصر الأمر على مادتين معًا". "أنت حقًا تنشئ مادة جديدة."
في حين أن الجرافين يتكون حصريًا من ذرات الكربون ، فإن العائلة المتنوعة من مشابك TMD تجلب العشرات من العناصر الإضافية في لعبة التكديس. كل انظمة الدفاع الصاروخى التكتيكى (TMD) لها قدراتها الذاتية. بعضها مغناطيسي ؛ الآخرين فائقة التوصيل. تطلع الباحثون إلى مزجها ومطابقتها مع مواد الموضة مع قوىها المشتركة.
ولكن عندما وضعت مجموعة Hone ثاني كبريتيد المولي على عازل ، أظهرت خصائص المكدس مكاسب باهتة مقارنة بما رأوه في الجرافين. في النهاية أدركوا أنهم لم يتحققوا من جودة بلورات TMD. عندما قام بعض الزملاء بإلصاق ثاني كبريتيد المولي تحت مجهر قادر على حل الذرات الفردية ، أصيبوا بالذهول. جلست بعض الذرات في المكان الخطأ ، بينما اختفى البعض الآخر تمامًا. واجه ما يصل إلى 1 من 100 موقع شبكي بعض المشاكل ، مما أعاق قدرة الشبكة على توجيه الإلكترونات. في المقابل ، كان الجرافين هو صورة الكمال ، مع وجود عيب واحد تقريبًا لكل مليون ذرة. قال هون: "لقد أدركنا أخيرًا أن الأشياء التي كنا نشتريها عبارة عن قمامة كاملة".
في حوالي عام 2016 ، قرر الانخراط في مجال تطوير أجهزة TMDs ذات الدرجة البحثية. قام بتجنيد باحث ما بعد الدكتوراة ، دانيال رودس، مع تجربة زراعة البلورات عن طريق إذابة مساحيق المواد الخام في درجات حرارة عالية للغاية ثم تبريدها بوتيرة جليدية. وأوضح هون قائلاً: "إن الأمر أشبه بزراعة حلوى الصخور من السكر في الماء". استغرقت العملية الجديدة شهرًا ، مقارنة بأيام قليلة للطرق التجارية. لكنها أنتجت بلورات TMD أفضل بمئات إلى آلاف المرات من تلك المعروضة للبيع في الكتالوجات الكيميائية.
قبل أن يتمكن Shan و Mak من الاستفادة من بلورات Hone البكر المتزايدة ، واجهوا مهمة غير جذابة تتمثل في اكتشاف كيفية التعامل مع الرقائق المجهرية التي لا تحب قبول الإلكترونات. لضخ الإلكترونات (أساس تقنية النقل التي اختارها ماك كطبيب لما بعد الدكتوراة) ، استحوذ الزوجان على تفاصيل لا حصر لها: أي نوع من المعدن يستخدم للقطب الكهربي ، وإلى أي مدى بعيدًا عن TMD لوضعه ، وحتى المواد الكيميائية التي يجب استخدامها. استخدم لتنظيف جهات الاتصال. قال ماك إن تجربة الطرق اللانهائية لتركيب الأقطاب الكهربائية كانت بطيئة وشاقة - "عملية تستغرق وقتًا طويلاً لتنقية هذا أو تنقيته شيئًا فشيئًا".
كما أمضوا سنوات في اكتشاف كيفية رفع وتكديس الرقائق المجهرية ، التي يبلغ عرضها أعشار المليون من المتر. مع هذه القدرة ، بالإضافة إلى بلورات Hone والتلامس الكهربائي المحسّن ، اجتمع كل شيء معًا في عام 2018. انتقل الزوجان إلى Ithaca ، نيويورك ، لتولي مناصب جديدة في Cornell ، وخرجت سلسلة من النتائج الرائدة من مختبرهم.
اختراقات في كورنيل
قال Zhengchao Xia ، طالب الدراسات العليا في مجموعة Mak and Shan ، "اليوم ، من الصعب التقاط كل شيء لسبب ما" ، حيث تهدد الصورة الظلية الداكنة لقشور نيتريد البورون بالتقشر والعودة إلى سطح السيليكون أدناه. تشبث الصفيحة على شكل مدغشقر بشكل ضعيف بقطعة كبيرة من الجرافيت تشبه المملكة العربية السعودية ، مثلما قد يتشبث الورق بسطح طقطقة بالون تم فركه مؤخرًا. الجرافيت ، بدوره ، كان عالقًا بقطرة ندى لزجة من البلاستيك متصلة بشريحة زجاجية. استخدم شيا واجهة كمبيوتر لتوجيه حامل آلي يمسك الشريحة. مثلما قد يقوم أحد رواد الممرات بمناورة آلة المخلب باستخدام عصا التحكم ، فقد رفعت المكدس بحذر شديد في الهواء بمعدل خمس جزء من المليون من المتر لكل نقرة بالماوس ، محدقًا باهتمام في شاشة الكمبيوتر لمعرفة ما إذا كانت قد فعلت ذلك. تم القبض بنجاح على تقشر نيتريد البورون.
كان لديها. مع بضع نقرات إضافية ، أصبح المكدس المكون من طبقتين مجانيًا ، وتحرك شيا بسرعة ولكن بشكل متعمد لإيداع الرقائق على مادة ثالثة مدمجة بأقطاب معدنية مترامية الأطراف. ببضع نقرات أخرى ، قامت بتسخين السطح ، مما أدى إلى إذابة المادة اللاصقة البلاستيكية للشريحة قبل أن يتمكن أي منا من العطس بالجهاز المجهري بعيدًا.
قالت: "لدي هذا الكابوس دائمًا أنه يختفي".
من البداية إلى النهاية ، استغرق الأمر Xia أكثر من ساعة لتجميع النصف السفلي من جهاز بسيط - وهو ما يعادل PB&J مفتوح الوجه. لقد أطلعتني على كومة أخرى كانت قد جمعتها مؤخرًا وتخلصت من عدد قليل من المكونات ، بما في ذلك TMDs التنغستن diselenide و ditelluride المولي. واحدة من عشرات السندويشات المجهرية التي صنعتها ودرستها على مدار العام الماضي ، كان جهاز Dagwood هذا يحتوي على 10 طبقات ضخمة واستغرق تجميعها عدة ساعات.
يمثل تكديس المواد ثنائية الأبعاد هذا ، والذي يتم إجراؤه أيضًا في مختبرات في كولومبيا ومعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وبيركلي وهارفارد ومؤسسات أخرى ، تحقيق حلم طويل الأمد لعلماء فيزياء المادة المكثفة. لم يعد الباحثون مقيدون بالمواد الموجودة في الأرض أو التي تنمو ببطء في المختبر. الآن يمكنهم اللعب بالمكافئ الذري لقرميد الليغو ، والتقاط الألواح معًا لبناء هياكل مخصصة بالخصائص المرغوبة. عندما يتعلق الأمر بتجميع هياكل TMD ، فإن القليل منهم قد ذهب إلى أبعد من مجموعة كورنيل.
كان أول اكتشاف كبير لماك وشان في كورنيل يتعلق بالإكسيتونات ، وهي أزواج ثقوب الإلكترون شديدة الترابط التي رأوها في TMDs في عام 2014.أشباه الجسيمات"طريقة ملتوية لتحقيق هدف دائم لفيزياء المادة المكثفة: الموصلية الفائقة في درجة حرارة الغرفة.
تلعب الإكسايتونات نفس القواعد غير التقليدية مثل أزواج الإلكترون والإلكترون. تتحول أزواج الثقوب الإلكترونية هذه أيضًا إلى بوزونات ، مما يتيح لها "التكثيف" في حالة كمومية مشتركة تُعرف باسم تكاثف بوز-آينشتاين. يمكن لهذه المجموعة المتماسكة من أشباه الجسيمات إظهار سمات كمومية مثل السيولة الفائقة ، والقدرة على التدفق دون مقاومة. (عندما يحمل السائل الفائق تيارًا كهربائيًا ، فإنه يقوم بتوصيل فائق.)
ولكن على عكس الإلكترونات البغيضة ، تحب الإلكترونات والثقوب أن تتزاوج. يقول الباحثون إن هذا من المحتمل أن يجعل صمغهم أقوى. تكمن التحديات التي تواجه الموصلية الفائقة القائمة على الإكسيتون في منع الإلكترون من ملء الثقب ، وجعل الأزواج المحايدة كهربائيًا تتدفق في تيار - كل ذلك في غرفة دافئة قدر الإمكان. حتى الآن ، قام ماك وشان بحل المشكلة الأولى ولديهما خطة لمعالجة الثانية.
يمكن تحفيز سحب الذرات لتشكيل مكثفات عن طريق تبريدها إلى شعر فوق الصفر المطلق باستخدام الليزر القوي. لكن العلماء النظريين لطالما اشتبهوا في أن مكثفات الإكسيتونات يمكن أن تتشكل في درجات حرارة أعلى. جعلت مجموعة كورنيل هذه الفكرة حقيقة واقعة من خلال أجهزة TMD القابلة للتكديس. باستخدام شطيرة من طبقتين ، وضعوا إلكترونات إضافية في الطبقة العليا وأزالوا الإلكترونات من القاع ، تاركين ثقوبًا. تقترن الإلكترونات والثقوب ، مما يجعل الإكسيتونات طويلة العمر لأن الإلكترونات تواجه صعوبة في القفز إلى الطبقة المقابلة لتحييد شركائها. في أكتوبر 2019 ، المجموعة تم الإبلاغ عن علامات من مكثف اكسيتون عند 100 كلن شاف. في هذا الإعداد ، استمرت الإكسيتونات لعشرات النانو ثانية ، وهي عمر لهذا النوع من أشباه الجسيمات. في خريف عام 2021، وصفت المجموعة جهازًا محسّنًا حيث يبدو أن الإكسايتونات تدوم لأجزاء من الثانية ، وهو ما وصفه ماك بأنه "عمليًا إلى الأبد".
الفريق يتابع الآن مخطط ابتكرها المنظرون في عام 2008 لإنشاء تيار إكسيتون. ألان ماكدونالداقترح عالم نظريات المادة المكثفة البارز في جامعة تكساس بأوستن وطالبه المتخرج جونغ جونغ سو جعل الإكسايتونات المحايدة تتدفق من خلال تطبيق مجال كهربائي موجه بطريقة تشجع الإلكترونات والثقوب على التحرك في نفس الاتجاه. لإخراجها في المختبر ، يجب على مجموعة كورنيل أن تتصارع مرة أخرى مع عدوها الدائم ، الاتصالات الكهربائية. في هذه الحالة ، يتعين عليهم ربط مجموعات متعددة من الأقطاب الكهربائية بطبقات TMD ، بعضها لتصنيع الإكسيتونات والبعض الآخر لتحريكها.
يعتقد شان وماك أنهما على الطريق الصحيح لتدفق الإكسايتونات بسرعة تصل إلى 100 كلفن قريبًا. هذه غرفة متجمدة لشخص (173 درجة مئوية أو 280 درجة فهرنهايت) ، لكنها قفزة هائلة من ظروف النانو كلفن التي تحتاجها معظم المكثفات البوزونية.
قال ماك بابتسامة ماكرة: "سيكون هذا بحد ذاته إنجازًا رائعًا ، لتسخين درجة الحرارة مليار مرة."
مواد مواريه السحرية
في عام 2018 ، بينما عزز مختبر كورنيل تجارب TMD ، أطلقت مفاجأة أخرى من الجرافين ثورة ثانية في المواد ثنائية الأبعاد. بابلو جاريلو هيريروأعلن الباحث في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وشبة أخرى من كولومبيا ، أن التواء طبقة واحدة من الجرافين فيما يتعلق بالطبقة أدناه يخلق مادة سحرية جديدة ثنائية الأبعاد. كان السر هو إسقاط الطبقة العلوية بحيث هبطت الأشكال السداسية مع "التفاف" طفيف ، بحيث يتم تدويرها بالضبط بمقدار 2 درجة مقابل الأشكال السداسية الموجودة بالأسفل. يؤدي هذا المحاذاة الخاطئة للزاوية إلى حدوث إزاحة بين الذرات التي تنمو وتتقلص أثناء تحركك عبر مادة ما ، مما يؤدي إلى إنشاء نمط متكرر من "الخلايا الفائقة" الكبيرة المعروفة باسم الشبكة الفائقة المتموجة. كان ماكدونالد وزميل له محسوبة في عام 2011 أنه عند "الزاوية السحرية" البالغة 1.1 درجة ، فإن التركيب البلوري الفريد للشبكة الفائقة سيجبر إلكترونات الجرافين على الإبطاء والاستشعار بتنافر جيرانها.
عندما تدرك الإلكترونات بعضها البعض ، تحدث أشياء غريبة. في العوازل العادية والموصلات وأشباه الموصلات ، يُعتقد أن الإلكترونات تتفاعل فقط مع شبكة الذرات ؛ يتسابقون بسرعة كبيرة للغاية حتى يلاحظوا بعضهم البعض. ولكن مع التباطؤ في الزحف ، يمكن للإلكترونات أن تتصارع مع بعضها البعض وتفترض بشكل جماعي مجموعة متنوعة من الحالات الكمومية الغريبة. أثبتت تجارب Jarillo-Herrero ذلك ، لـ غير مفهومة بشكل جيد الأسباب ، يؤدي هذا الاتصال من الإلكترون إلى الإلكترون في الجرافين الملتوي ذي الزاوية السحرية إلى ظهور شكل قوي بشكل خاص من الموصلية الفائقة.
قدم تموج الجرافين الفائق أيضًا للباحثين طريقة جذرية جديدة للتحكم في الإلكترونات. في الشبكة الفائقة ، تصبح الإلكترونات غافلة عن الذرات الفردية وتختبر الخلايا العملاقة نفسها كما لو كانت ذرات عملاقة. هذا يجعل من السهل ملء الخلايا الفائقة بإلكترونات كافية لتشكيل حالات كمية جماعية. باستخدام مجال كهربائي للاتصال بأعلى أو لأسفل متوسط عدد الإلكترونات لكل خلية فائقة ، تمكنت مجموعة جاريلو-هيريرو من جعل جهاز الجرافين ثنائي الطبقة الملتوي بمثابة موصل فائق ، يعمل كموصل فائق. عازل، أو عرض أ طوف من الآخرين, سلوكيات إلكترونية غريبة.
اندفع الفيزيائيون من جميع أنحاء العالم إلى حقل "تويسترونيكس" الناشئ. لكن الكثيرين وجدوا أن الالتواء صعب. ليس لدى الذرات سبب للوقوع بدقة في المحاذاة الخاطئة "السحرية" البالغة 1.1 درجة ، لذلك تتجعد الصفائح بطرق تغير خصائصها تمامًا. قالت شيا ، طالبة الدراسات العليا في جامعة كورنيل ، إن لديها مجموعة من الأصدقاء في جامعات أخرى يعملون بأجهزة ملتوية. عادة ما يستغرق إنشاء جهاز عامل عشرات المحاولات. وحتى في هذه الحالة ، يتصرف كل جهاز بشكل مختلف ، لذلك يكاد يكون من المستحيل تكرار تجارب محددة.
تقدم TMDs طريقة أسهل بكثير لإنشاء شبكات فائقة تموج في النسيج. نظرًا لأن أجهزة TMD المختلفة لها شبكات سداسية بأحجام مختلفة ، فإن تكديس شبكة من السداسيات الأكبر قليلاً على شبكة أصغر يخلق نمط تموج في النسيج تمامًا كما يفعل اختلال الزاوية. في هذه الحالة ، نظرًا لعدم وجود دوران بين الطبقات ، فمن المرجح أن تستقر المكدس في مكانها وتبقى ثابتة. عندما شرعت شيا في إنشاء جهاز تموج في النسيج TMD ، على حد قولها ، نجحت عمومًا أربع مرات من أصل خمسة.
تشكل مواد تموج في النسيج TMD ملاعبًا مثالية لاستكشاف تفاعلات الإلكترون. نظرًا لأن المواد عبارة عن أشباه موصلات ، فإن إلكتروناتها تزداد ثقلها أثناء توغلها في المواد ، على عكس الإلكترونات المحمومة في الجرافين. وخلايا تموج في النسيج العملاقة تبطئها أكثر: في حين أن الإلكترونات غالبًا ما تتحرك بين الذرات عن طريق "النفق" ، وهو سلوك ميكانيكي كم يشبه النقل الآني ، نادرًا ما يحدث النفق في شبكة تموج في النسيج ، نظرًا لأن الخلايا الفائقة تبتعد عن الذرات الموجودة بداخلها بنحو 100 مرة . تساعد المسافة على استقرار الإلكترونات وتمنحها فرصة للتعرف على جيرانها.
كان المنافس الودي لشان وماك ، فنغ وانغ ، من أوائل من أدرك إمكانات شبكات التموج في النسيج الفائقة TMD. اقترحت حسابات ظهر الغلاف أن هذه المواد يجب أن تؤدي إلى واحدة من أبسط الطرق التي يمكن أن تنظم بها الإلكترونات - حالة تُعرف باسم بلورة Wigner ، حيث يؤدي التنافر المتبادل إلى تثبيت الإلكترونات الخاملة في مكانها. رأى فريق وانغ علامات مثل هذه الدول في عام 2020 ونشرها الصورة الأولى من الإلكترونات التي تمسك بعضها البعض على مسافة ذراع الطبيعة في عام 2021. بحلول ذلك الوقت ، انتشرت بالفعل أخبار أنشطة تموج في النسيج TMD التي قام بها وانغ من خلال مجتمع الفيزياء ثنائي الأبعاد ضيق الحبكة ، وكان مصنع كورنيل TMD ينتج أجهزة تموج في النسيج TMD خاصة به. أبلغ شان وماك أيضًا عن أدلة على وجود بلورات Wigner في شبكات TMD الفائقة في عام 2 واكتشفا في غضون أشهر أن الإلكترونات في أجهزتهما يمكن أن تتبلور تقريبًا. عشرين أنماط مختلفة من الكريستال Wigner.
في الوقت نفسه ، كانت مجموعة كورنيل تصنع أيضًا مواد تموج في النسيج TMD في أداة كهربائية. ماكدونالد والمتعاونون قد تنبأ في عام 2018 ، تتمتع هذه الأجهزة بالمجموعة الصحيحة من الميزات التقنية لجعلها تمثل بشكل مثالي أحد أهم نماذج الألعاب في فيزياء المادة المكثفة. نموذج هوبارد ، كما يطلق عليه ، هو نظام نظري يستخدم لفهم مجموعة واسعة من سلوكيات الإلكترون. مقترح بشكل مستقل بواسطة Martin Gutzwiller و Junjiro Kanamori و John Hubbard في عام 1963 ، فإن النموذج هو أفضل محاولة للفيزيائيين لتجريد المجموعة اللانهائية عمليًا من المشابك البلورية وصولاً إلى أهم ميزاتها. تخيل شبكة من الذرات تستضيف إلكترونات. يفترض نموذج هوبارد أن كل إلكترون يشعر بقوتين متنافستين: إنه يريد أن ينتقل عبر النفق إلى الذرات المجاورة ، لكنه أيضًا ينفذه جيرانه ، مما يجعله يريد البقاء في مكانه. تنشأ سلوكيات مختلفة بناءً على الرغبة الأقوى. المشكلة الوحيدة في نموذج هوبارد هي أنه في جميع الحالات باستثناء أبسطها - سلسلة ذرات أحادية الأبعاد - لا يمكن حلها رياضيًا.
وفقًا لماكدونالد وزملاؤه ، يمكن أن تعمل مواد تموج في النسيج TMD بمثابة "محاكيات" لنموذج هوبارد ، مما يحتمل أن يحل بعضًا من أعمق الألغاز في هذا المجال ، مثل طبيعة الغراء الذي يربط الإلكترونات بأزواج فائقة التوصيل في النحاسيات. بدلاً من النضال مع معادلة مستحيلة ، يمكن للباحثين تحرير الإلكترونات في شطيرة TMD ومعرفة ما فعلوه. قال ماكدونالد: "يمكننا تدوين هذا النموذج ، لكن من الصعب جدًا الإجابة على الكثير من الأسئلة المهمة". "الآن يمكننا القيام بذلك بمجرد إجراء تجربة. هذا حقًا رائد ".
لبناء جهاز محاكاة نموذج Hubbard الخاص بهم ، قام Shan و Mak بتكديس طبقات من ديسيلينيد التنجستن وكبريتيد التنجستن لإنشاء شبكة تموج في النسيج الفائق ، وقاموا بتوصيل الأقطاب الكهربائية للاتصال بأعلى أو لأسفل في مجال كهربائي يمر عبر شطيرة TMD. يتحكم المجال الكهربائي في عدد الإلكترونات التي تملأ كل خلية عظمى. نظرًا لأن الخلايا تعمل مثل الذرات العملاقة ، فإن الانتقال من إلكترون واحد إلى إلكترونين لكل خلية فائقة كان بمثابة تحويل شبكة من ذرات الهيدروجين إلى شبكة من ذرات الهيليوم. في بهم نشر نموذج هوبارد الأولي in الطبيعة في مارس 2020 ، أبلغوا عن محاكاة الذرات بما يصل إلى إلكترونين ؛ اليوم ، يمكن أن يصل عددهم إلى ثمانية. بمعنى ما ، لقد أدركوا الهدف القديم المتمثل في تحويل الرصاص إلى ذهب. قال ماك: "إنه مثل ضبط الكيمياء" ، "استعراض الجدول الدوري." من حيث المبدأ ، يمكنهم حتى استحضار شبكة من الذرات الوهمية ، على سبيل المثال ، 1.38 إلكترون لكل منها.
بعد ذلك ، نظرت المجموعة إلى قلوب الذرات الاصطناعية. مع المزيد من الأقطاب الكهربائية ، يمكنهم التحكم في "إمكانات" الخلايا الفائقة من خلال إجراء تغييرات مشابهة لإضافة بروتونات موجبة إلى مراكز الذرات الاصطناعية العملاقة. كلما زادت شحنة النواة ، كان من الصعب على الإلكترونات أن تنفق بعيدًا ، لذا فإن هذا المجال الكهربائي يسمح لها برفع وخفض اتجاه القفز.
اكتمل تحكم ماك وشان في الذرات العملاقة - وبالتالي نموذج هوبارد. يتيح لهم نظام تموج في النسيج TMD استدعاء شبكة من الذرات المبتذلة ، حتى تلك التي لا توجد في الطبيعة ، وتحويلها بسلاسة كما يحلو لهم. إنها قوة ، حتى بالنسبة للباحثين الآخرين في هذا المجال ، حدودها السحرية. قال كيم: "إذا كنت أفرد جهودهم الأكثر إثارة وإثارة للإعجاب ، فهذا هو الجهد".
سرعان ما استخدمت مجموعة كورنيل ذراتها المصممة لتسوية نقاش دام 70 عامًا. كان السؤال: ماذا لو استطعت أن تأخذ عازلًا وتعديل ذراته لتحويله إلى معدن موصل؟ هل سيحدث التغيير تدريجيًا أم بشكل مفاجئ؟
باستخدام كيمياء التموج في النسيج ، أجرى شان وماك تجربة فكرية في مختبرهما. في البداية قاموا بمحاكاة الذرات الثقيلة ، التي تحاصر الإلكترونات بحيث تعمل الشبكة الفائقة TMD كعازل. ثم قاموا بتقليص الذرات ، مما أضعف المصيدة حتى أصبحت الإلكترونات قادرة على القفز إلى الحرية ، مما جعل الشبكة الفائقة تصبح معدنًا موصلًا. من خلال ملاحظة انخفاض المقاومة الكهربائية تدريجيًا حيث أن الشبكة الفائقة تتصرف بشكل متزايد مثل المعدن ، فقد أظهروا أن الانتقال ليس مفاجئًا. هذا الاكتشاف الذي أعلنوا in الطبيعة في العام الماضي ، يفتح الباب أمام احتمال أن تكون إلكترونات الشبكة الفائقة قادرة على تحقيق نوع مرغوب فيه منذ فترة طويلة من السيولة يُعرف باسم سائل الدوران الكمي. قال ماك: "قد تكون هذه هي المشكلة الأكثر إثارة للاهتمام التي يمكن للمرء معالجتها".
في نفس الوقت تقريبًا ، حظي الزوجان بما يعتبره بعض علماء الفيزياء أهم اكتشاف لهما حتى الآن. قال ماك: "لقد كان حادثا كاملا". "لم يتوقعها أحد."
عندما بدأوا بحثهم عن محاكاة هوبارد ، استخدم الباحثون شطائر TMD حيث يتم محاذاة الأشكال السداسية على الطبقتين ، مع معادن انتقالية فوق معادن انتقالية ومبيدات كالكوجينيد فوق مركبات الكالكوجينيد. (هذا عندما اكتشفوا الانتقال التدريجي من العازل إلى المعدن). ثم ، صدفة ، كرروا التجربة مع الأجهزة التي تم فيها تكديس الطبقة العليا للخلف.
كما كان من قبل ، بدأت المقاومة في الانخفاض عندما بدأت الإلكترونات في القفز. ولكن بعد ذلك هبطت بشكل مفاجئ ، وانخفضت لدرجة أن الباحثين تساءلوا عما إذا كان تموج في النسيج قد بدأ في التوصيل الفائق. مزيد من الاستكشاف ، رغم ذلك ، هم قياس نمط نادر من المقاومة المعروف باسم تأثير هول الكمي الشاذ - دليل على أن شيئًا أكثر غرابة كان يحدث. يشير التأثير إلى أن التركيب البلوري للجهاز يجبر الإلكترونات الموجودة على طول حافة المادة على التصرف بشكل مختلف عن تلك الموجودة في المركز. في منتصف الجهاز ، كانت الإلكترونات محاصرة في حالة عازلة. لكن حول المحيط ، كانوا يتدفقون في اتجاه واحد - موضحين المقاومة شديدة الانخفاض. بالصدفة ، ابتكر الباحثون نوعًا غير عادي وهش للغاية من المادة يُعرف باسم عازل تشيرن.
تأثير القاعة الكمومية الشاذة ، لوحظ لأول مرة في عام 2013، عادة ما تنهار إذا ارتفعت درجة الحرارة فوق بضع مئات من كلفن. في عام 2019 ، شاهدتها مجموعة يونغ في سانتا باربرا شطيرة جرافين ملتوية لمرة واحدة عند حوالي 5 درجة كلن. الآن حقق Shan و Mak التأثير عند نفس درجة الحرارة تقريبًا ، ولكن في جهاز TMD غير ملتوي يمكن لأي شخص إعادة إنشائه. قال يونج: "كانت درجة حرارتنا أعلى ، لكنني سأقوم بأخذ درجاتهم في أي يوم لأنهم يستطيعون القيام بذلك 10 مرات متتالية". هذا يعني أنه يمكنك فهمه "واستخدامه في فعل شيء ما".
يعتقد ماك وشان أنه مع بعض العبث ، يمكنهم استخدام مواد تموج في النسيج TMD لبناء عوازل Chern التي تعيش حتى 50 أو 100 كلفن. إذا نجحوا ، فقد يؤدي العمل إلى طريقة أخرى لتدفق التيار بدون مقاومة - على الأقل بالنسبة لـ "الأسلاك النانوية" الصغيرة ، والتي قد تكون قادرة على تشغيلها وإيقافها في أماكن محددة داخل الجهاز.
التنقيب في الأرض المسطحة
حتى مع تراكم النتائج البارزة ، لم يظهر الزوجان أي علامات على التباطؤ. في اليوم الذي زرت فيه ، نظر ماك بينما كان الطلاب يعبثون بثلاجة مخففة شاهقة تسمح لهم بتبريد أجهزتهم إلى درجات حرارة أكثر برودة ألف مرة مما عملوا معه حتى الآن. كان هناك الكثير من الفيزياء لاكتشافها في الظروف "الأكثر دفئًا" بحيث لم تتح الفرصة للمجموعة للبحث بدقة في عالم التبريد العميق بحثًا عن علامات الموصلية الفائقة. إذا سمحت الثلاجة الفائقة للموصلية الفائقة لـ TMDs ، فسوف يجيب ذلك على سؤال آخر ، يوضح ذلك شكل من أشكال المغناطيسية المتأصلة في النحاس (ولكن غائب عن TMDs) ليس مكونًا أساسيًا في غراء ربط الإلكترون. قال ماك: "هذا يشبه قتل أحد المكونات المهمة التي أراد المنظرون حقًا قتلها لفترة طويلة".
لم يبدأ هو وشان ومجموعتهم حتى في تجربة بعض أجهزة TMD الأكثر تسلية. بعد قضاء سنوات في اختراع المعدات اللازمة للتنقل في جميع أنحاء القارة من المواد ثنائية الأبعاد ، يستعدون أخيرًا للمغامرة وراء رأس جسر ثاني كبريتيد المولى الذي هبطوا به في عام 2.
يعزو الباحثان نجاحهما إلى ثقافة التعاون التي استوعبوها في كولومبيا. يقولون إن التعاون الأولي مع Hone الذي قدمهم إلى ثاني كبريتيد المولي كان مجرد واحدة من العديد من الفرص التي استمتعوا بها لأنهم كانوا أحرارًا في متابعة فضولهم. قال شان: "لم يكن علينا مناقشة" خططهم مع هاينز ، رئيس مختبرهم. تحدثنا إلى أشخاص من مجموعات أخرى. قمنا بالتجارب. حتى أنهينا الأمور ".
واليوم يبنون بيئة مريحة مماثلة في جامعة كورنيل ، حيث يشرفون على بضع عشرات من باحثي ما بعد الدكتوراة والباحثين والطلاب الزائرين ، وجميعهم يتمتعون بحرية كبيرة في القيام بأمورهم الخاصة. قال ماك: "الطلاب أذكياء جدًا ولديهم أفكار جيدة". "في بعض الأحيان لا تريد التدخل."
كما أن زواجهم يجعل مختبرهم فريدًا. لقد تعلم الاثنان الاعتماد على نقاط قوتهما الشخصية. إلى جانب وفرة الإبداع كخبيرة تجريبية ، تمتلك شان انضباطًا دقيقًا يجعلها مديرة جيدة. عندما كنا نتحدث نحن الثلاثة ، كانت تدفع "البروفيسور فاي" إلى المسار الصحيح عندما دفعه حماسه للفيزياء إلى التعمق في الأمور الفنية. ماك ، من جانبه ، يستمتع بالكدح جنبًا إلى جنب مع الباحثين في بداية حياتهم المهنية ، سواء داخل المختبر أو خارجه. بدأ مؤخرًا تسلق الصخور مع المجموعة. قال يونغ: "يبدو أن مختبرهم هو عائلتهم". أخبرني شان وماك أنهما يحققان معًا أكثر مما يمكنهما بمفردهما. قال ماك: "واحد زائد واحد هو أكثر من اثنين".
قد تتراكم الأجهزة التي يقومون ببنائها لتكون أكثر من مجموع أجزائها. عندما ينضم الباحثون إلى صفائح TMD معًا لإنشاء إكسيتونات وشبكات مواريه فائقة ، فإنهم يتكهنون حول كيف يمكن للطرق الجديدة لتدجين الإلكترونات أن تشحن التكنولوجيا. حتى لو ظلت الموصلية الفائقة الجاهزة للجيب بعيدة المنال ، فقد تؤدي مكثفات بوز-آينشتاين إلى مستشعرات كمية فائقة الحساسية ، ويمكن التحكم بشكل أفضل في العوازل الشبيهة بـ Chern. حواسيب كمومية قوية. وهذه مجرد أفكار واضحة. غالبًا ما تضيف التحسينات التدريجية في علم المواد إلى التطبيقات الجذرية التي لم يتوقعها الكثير. على سبيل المثال ، كان الباحثون الذين طوروا الترانزستور قد عانوا للتنبؤ بالهواتف الذكية التي تعمل بمليارات المفاتيح المجهرية المحشوة في رقاقة بحجم ظفر الإصبع. والعلماء الذين سعوا لتصميم ألياف زجاجية يمكنها حمل الضوء عبر طاولة المختبر لم يكن بإمكانهم توقع أن الألياف الضوئية التي يبلغ طولها 10,000 كيلومتر تحت سطح البحر ستربط القارات يومًا ما. قد تتطور المواد ثنائية الأبعاد في اتجاهات مماثلة غير متوقعة. قال هاينز: "تُنشئ منصة المواد الجديدة حقًا تطبيقاتها الخاصة بدلاً من استبدال المواد الموجودة".
أثناء قيادتي إلى محطة حافلات إيثاكا ، أخبرني شان وماك عن إجازة أخيرة (ونادرة) أخذوها إلى بانف ، كندا ، حيث أظهروا مرة أخرى موهبتهم في التعثر في المفاجآت من خلال مزيج من الجهد والحظ. لقد أمضوا أيامًا يحاولون - عبثًا - اكتشاف دب. ثم ، في نهاية الرحلة ، وهم في طريقهم إلى المطار ، توقفوا لمد أرجلهم في محمية نباتية ووجدوا أنفسهم وجهاً لوجه مع دب أسود.
وبالمثل ، مع فيزياء المادة المكثفة ، فإن نهجهم هو التجول معًا في منظر طبيعي جديد ومعرفة ما سيظهر. قال ماك: "ليس لدينا الكثير من التوجيه النظري ، لكننا نتحايل ونلعب بالتجارب". "يمكن أن تفشل ، لكن في بعض الأحيان يمكنك أن تصطدم بشيء غير متوقع للغاية."
