Molybdenit, selv for det trænede øje, ser næsten identisk ud med grafit - en skinnende, sølvskinnende krystal. Den fungerer også på samme måde, idet den fjerner flager på en måde, der ville give en god blyantfyldning. Men for en elektron danner de to net af atomer forskellige verdener. Udmærkelsen kom først ind i den videnskabelige rekord for 244 år siden. Carl Scheele, en svensk kemiker kendt for sin opdagelse af ilt, kastede hvert mineral ned i forskellige syrer og så de uhyggelige gasskyer, der bølgede frem. Scheele, der til sidst betalte for denne tilgang med sit liv, og døde af formodet tungmetalforgiftning som 43-årig, konkluderede, at molybdenit var et nyt stof. Han beskrev det i et brev til Det Kongelige Svenske Videnskabsakademi i 1778, og skrev: "Jeg henviser her ikke til den almindeligt kendte grafit, som man kan erhverve fra apoteket. Dette overgangsmetal ser ud til at være ukendt."
Med sin tendens til at flage til pulveragtige fragmenter blev molybdenit et populært smøremiddel i det 20. århundrede. Det hjalp skiene med at glide længere gennem sneen og glattede udgangen af kugler fra riffelløbene i Vietnam.
I dag er den samme skævhed næring til en fysikrevolution.
Gennembruddene startede med grafit og scotch tape. Forskere opdagede tilfældigt i 2004, at de kunne bruge tape til at skrælle flager af grafit af, der kun var et atom tykt. Disse krystallinske plader, hver en flad række af carbonatomer, havde forbløffende egenskaber, der var radikalt forskellige fra dem af de tredimensionelle krystaller, de kom fra. Grafen (som dets opdagere kaldte det) var en helt ny kategori af stof - et 2D-materiale. Dens opdagelse transformerede det kondenserede stofs fysik, den gren af fysikken, der søger at forstå stoffets mange former og adfærd. Næsten halvdelen af alle fysikere er kondenseret stof fysikere; det er underområdet, der bragte os computerchips, lasere, LED-pærer, MRI-maskiner, solpaneler og alle mulige moderne teknologiske vidundere. Efter grafenens opdagelse begyndte tusindvis af fysikere af kondenseret stof at studere det nye materiale i håb om, at det ville understøtte fremtidige teknologier.
Graphenes opdagere modtog Nobelprisen i fysik i 2010. Samme år fik to unge fysikere ved Columbia University, Jie Shan , Kin Fai Mak, så tegn på, at flager af molybdenit kunne være endnu mere magiske end grafen. Det mindre kendte mineral har egenskaber, der gør det svært at studere - for hårdt for mange laboratorier - men det fangede Shan og Mak. Den ihærdige duo viede næsten et årti til at skændes med 2D-molybdenit (eller molybdændisulfid, som den laboratoriedyrkede version af krystallen kaldes) og en familie af nært beslægtede 2D-krystaller.
Nu giver deres indsats frugt. Shan og Mak, som nu er gift og driver en fælles forskningsgruppe ved Cornell University, har vist, at 2D-krystaller af molybdændisulfid og dets slægtninge kan give anledning til en enorm variation af eksotiske kvantefænomener. "Det er en skør legeplads," sagde James Hone, en forsker ved Columbia, der forsyner Cornell-laboratoriet med krystaller af høj kvalitet. "Du kan lave alt moderne kondenseret stoffysik i ét materialesystem."
Shan og Maks gruppe har fanget elektroner, der opfører sig på hidtil usete måder i disse flade krystaller. De har lokket partiklerne til at smelte sammen i en kvantevæske og fryse til et udvalg af islignende strukturer. De har lært at samle gitter af gigantiske kunstige atomer, der nu tjener som testleje for fundamentale teorier om stof. Siden åbningen af deres Cornell-laboratorium i 2018, har mesterelektrontæmmerne udgivet en iøjnefaldende otte artikler i Natur, det mest prestigefyldte tidsskrift inden for videnskab, samt en række yderligere artikler. Teoretikere siger, at parret udvider forståelsen af, hvad skarer af elektroner er i stand til.
Deres forskning "er dybt imponerende i mange aspekter," sagde Philip Kim, en fremtrædende fysiker i kondenseret stof ved Harvard University. "Det er, vil jeg sige, sensationelt."
Fremkomsten af 2D-materialer
Et materiales egenskaber afspejler generelt, hvad dets elektroner gør. I ledere som metaller, for eksempel, sejler elektroner let mellem atomer og bærer elektricitet. I isolatorer som træ og glas bliver elektroner siddende. Halvledere som silicium falder imellem: Deres elektroner kan blive tvunget til at bevæge sig med en tilstrømning af energi, hvilket gør dem ideelle til at tænde og slukke for strømme - arbejdet som en transistor. I løbet af de sidste 50 år, udover disse tre grundlæggende elektronadfærd, har fysikere af kondenseret stof set de lette ladede partikler opføre sig på mange mere eksotiske måder.
En af de mere dramatiske overraskelser kom i 1986, da to IBM-forskere, Georg Bednorz og Alex Müller, opdaget en strøm af elektroner, der bevæger sig gennem en kobberoxid (“kuprat”) krystal uden nogen som helst modstand. Denne superledningsevne - elektricitets evne til at flyde med perfekt effektivitet - var set før, men kun af velforståede årsager i materialer, der er afkølet til et par grader af det absolutte nulpunkt. Denne gang observerede Bednorz og Müller en mystisk form af fænomenet, der varede ved rekordhøje 35 kelvin (det vil sige 35 grader over det absolutte nulpunkt). Forskere opdagede snart andre cuprates, der superleder over 100 kelvin. En drøm blev født, som måske stadig er det vigtigste mål for det kondenserede stofs fysik i dag: at finde eller konstruere et stof, der kan superlede elektricitet i vores varme, omkring 300 kelvin verden, hvilket muliggør tabsfri elledninger, svævende køretøjer og andre hypereffektive enheder, der ville reducere menneskehedens energibehov betydeligt.
Nøglen til superledning er at lokke elektroner, som normalt frastøder hinanden, til at parre sig og danne enheder kendt som bosoner. Bosoner kan derefter kollektivt smelte sammen til en friktionsfri kvantevæske. Attraktive kræfter, der skaber bosoner, såsom atomvibrationer, kan normalt kun overvinde elektronernes frastødning ved kryogene temperaturer eller høje tryk. Men behovet for disse ekstreme forhold har forhindret superledning i at finde vej til hverdagens enheder. Opdagelsen af cuprates vakte håb om, at det rigtige atomgitter kunne "lime" elektroner så fast, at de ville blive siddende fast selv ved stuetemperatur.
Fortsat 40 år efter Bednorz og Müllers opdagelse, er teoretikere stadig ikke helt sikre på, hvordan limen i cuprates virker, meget mindre hvordan man justerer materialerne for at styrke den. Meget forskning i fysik af kondenseret stof er således en prøve-og-fejl-jagt efter krystaller, der kan holde deres elektroner parrede eller hyrde elektroner på andre vidunderlige måder. "Kondenseret stof er en gren af fysikken, der giver mulighed for serendipities," sagde Kim. Sådan var opdagelsen af 2004D-materialer i 2.
Andre Geim , Konstantin Novoselov, der arbejder med grafit på University of Manchester i Storbritannien, opdaget en chokerende konsekvens af materialets afskalning. En grafitkrystal indeholder carbonatomer arrangeret i løst bundne ark af sekskanter. Teoretikere havde længe forudsagt, at uden den stabiliserende indflydelse fra stablen ville varmeinducerede vibrationer bryde et et-lags ark. Men Geim og Novoselov fandt ud af, at de kunne skrælle stabile, atomisk tynde plader af med lidt mere end scotch tape og vedholdenhed. Grafen var det første virkelig flade materiale - et plan, hvorpå elektroner kan glide rundt, men ikke op og ned.
Hone, Columbia-fysikeren, opdagede, at verdens tyndeste materiale på en eller anden måde er også den stærkeste. Det var en bemærkelsesværdig forstyrrelse for et materiale, som teoretikere mente slet ikke ville hænge sammen.
Hvad de mest fascinerede fysikere om grafen var, hvordan kulstoffladen transformerede elektroner: Intet kunne bremse dem. Elektroner bliver ofte snublet op af gitteret af atomer, som de bevæger sig igennem, og virker tungere end deres lærebogsmasse (en isolators ubevægelige elektroner virker, som om de har uendelig masse). Grafens flade gitter lod imidlertid elektroner suse rundt med en million meter i sekundet - kun et par hundrede gange langsommere end lysets hastighed. Ved den konstante blærehastighed fløj elektronerne, som om de slet ikke havde nogen masse, hvilket velsignede grafen med ekstrem (men ikke super) ledningsevne.
En hel mark skød op omkring vidundermaterialet. Forskere begyndte også at tænke bredere. Kunne 2D-flager af andre stoffer rumme deres egne superkræfter? Hone var blandt dem, der forgrenede sig. I 2009 målte han nogle mekaniske egenskaber af grafits dobbeltgænger, molybdændisulfid, og sendte derefter krystallen videre til to optiske specialister i Columbia-laboratoriet hos Tony Heinz. Det var et afslappet træk, der ville ændre karrieren for alle involverede.
Molybdændisulfidprøven landede i hænderne på Jie Shan, en gæsteprofessor tidligt i hendes karriere, og Kin Fai Mak, en kandidatstuderende. Den unge duo studerede, hvordan grafen interagerer med lys, men de var allerede begyndt at dagdrømme om andre materialer. Grafens hurtige elektroner gør det til en fantastisk leder, men det, de ønskede, var en 2D-halvleder - et materiale, hvis strøm af elektroner de kunne tænde og slukke for, og som derfor kunne fungere som en transistor.
Molybdændisulfid var kendt for at være en halvleder. Og Shan og Mak fandt hurtigt ud af, at den ligesom grafit fik yderligere kræfter i 2D. Da de pegede en laser på 3D-krystaller af "molydisulfid" (som de kærligt kalder det), forblev krystallerne mørke. Men da Shan og Mak flåede lag af med Scotch-tape, ramte dem med en laser og undersøgte dem under et mikroskop, så de 2D-arkene skinne klart.
Forskning fra andre grupper ville senere bekræfte, at vellavede ark af et nært beslægtet materiale afspejler hver eneste foton, der rammer dem. "Det er lidt ufatteligt," sagde Mak for nylig, da jeg mødte ham og Shan på deres fælles kontor i Cornell. "Du har bare et enkelt ark atomer, og det kan reflektere 100 % af lyset som et perfekt spejl." De indså, at denne egenskab kunne føre til spektakulære optiske enheder.
Uafhængigt, Feng Wang, en fysiker ved University of California, Berkeley, gjorde den samme opdagelse. Et 2D-materiale, der var meget reflekterende og en halvleder til at starte, fangede fællesskabets opmærksomhed. Både grupper offentliggjorde deres resultater i 2010; avisen har siden modtaget mere end 16,000 citater mellem sig. "Alle med lasere begyndte at blive meget interesserede i 2D-materialer," sagde Hone.
Ved at identificere molydisulfid som et andet 2D vidundermateriale havde de to grupper gjort landgang på et helt kontinent af 2D materialer. Moly-disulfid tilhører en familie af stoffer kendt som overgangsmetal-dichalcogenider (TMD'er), hvor atomer fra det metalliske midterste område af det periodiske system, såsom molybdæn, forbinder sig med par af kemiske forbindelser kendt som chalcogenider, såsom svovl. Molydisulfid er den eneste naturligt forekommende TMD, men der er snesevis mere som forskere kan piske op i laboratorier - wolframdisulfid, molybdænditellurid og så videre. De fleste danner svagt bundne ark, hvilket gør dem modtagelige for forretningssiden af et stykke tape.
Den indledende bølge af spænding ebbede dog hurtigt ud, da forskere kæmpede for at få TMD'er til at gøre mere end at skinne. Wangs gruppe faldt for det første tilbage på grafen efter at have fundet ud af, at de ikke nemt kunne fastgøre metalelektroder til molydisulfid. "Det har været anstødssten for vores gruppe i en del år," sagde han. "Selv nu er vi ikke særlig gode til at skabe kontakt." Det så ud til, at den største fordel ved TMD'er i forhold til grafen også var deres største svaghed: For at studere et materiales elektroniske egenskaber skal forskere ofte skubbe elektroner ind i det og måle modstanden af den resulterende strøm. Men fordi halvledere er dårlige ledere, er det svært at få elektroner ind eller ud.
Mak og Shan følte sig oprindeligt ambivalente. "Det var virkelig uklart, om vi skulle fortsætte med at arbejde på grafen eller begynde at arbejde på dette nye materiale," sagde Mak. "Men da vi fandt ud af, at den har denne fine ejendom, fortsatte vi med at lave et par flere eksperimenter."
Mens de arbejdede, blev de to forskere mere og mere fortryllede af molydisulfid og af hinanden. I starten var deres kontakt professionel, begrænset til forskningsfokuserede e-mails. "Fai spurgte ofte: 'Hvor er det udstyr? Hvor har du lagt det?'” sagde Shan. Men til sidst blev deres forhold, inkuberet af lange timer og katalyseret af eksperimentel succes, romantisk. "Vi har bare set hinanden for ofte, bogstaveligt talt i det samme laboratorium, der arbejder på det samme projekt," sagde Mak. "Projektet, der fungerede meget godt, gjorde os også glade."
Al fysik hele tiden
Det ville kræve et partnerskab mellem to hengivne fysikere med jerndisciplin for at bringe de besværlige TMD'er på hæld.
Akademikere kom altid let til Shan. Hun voksede op i 1970'erne i kystprovinsen Zhejiang, og hun var en stjernestuderende, som udmærkede sig i matematik, naturvidenskab og sprog og opnåede en eftertragtet plads på University of Science and Technology of China i Hefei. Der kvalificerede hun sig til et selektivt kulturelt udvekslingsprogram mellem Kina og Sovjetunionen, og hun slog til med at studere russisk og fysik på Moskvas statsuniversitet. "Når du er teenager, er du ivrig efter at udforske verden," sagde hun. "Jeg tøvede ikke."
Med det samme så hun mere af verden, end hun havde regnet med. Visumproblemer forsinkede hendes ankomst til Rusland med et par måneder, og hun mistede sin plads i sprogprogrammet. Myndighederne fandt hende en anden kurs, og kort efter landing i Moskva steg hun på et tog og rejste 5,000 kilometer østpå. Tre dage senere ankom hun til byen Irkutsk midt i Sibirien ved vinterens begyndelse. "Rådet, jeg fik, var: 'Rør aldrig, aldrig ved noget uden handsker'," sagde hun.
Shan beholdt sine handsker på, lærte russisk på et enkelt semester og kom til at værdsætte den skarpe skønhed i det vinterlige landskab. Da kurset sluttede, og sneen smeltede, vendte hun tilbage til hovedstaden for at begynde på sin fysikuddannelse, og hun ankom til Moskva i foråret 1990, midt i Sovjetunionens opløsning.
Det var kaotiske år. Shan så kampvogne rulle gennem gaderne nær universitetet, da kommunister forsøgte at genvinde kontrollen over regeringen. Ved en anden lejlighed, lige efter en afsluttende eksamen, udbrød der slagsmål. "Vi kunne høre skud, og vi fik besked på at slukke lyset i kollegiet," sagde hun. Alt, fra mad til toiletpapir, blev rationeret gennem et kuponsystem. Ikke desto mindre følte Shan sig inspireret af sine professorers modstandsdygtighed, som fortsatte med deres forskning på trods af urolighederne. "Forholdene var hårde, men mange af forskerne havde en sådan holdning. De elsker virkelig det, de laver, på trods af hvad der foregår,” sagde hun.
Da verdensordenen kollapsede, udmærkede Shan sig ved at udgive et teoretisk optikpapir, der fangede Heinz' blik på Columbia. Han opfordrede hende til at søge, og hun flyttede til New York, hvor hun af og til hjalp andre internationale studerende med at få fodfæste i et fremmed land. Hun rekrutterede Wang til at arbejde i Heinz' laboratorium, for eksempel, og delte eksperimentelle tips. "Hun lærte mig at være tålmodig," sagde han, og "hvordan man ikke bliver frustreret over laseren."
De fleste forskere tager en postdoktorstilling efter at have opnået deres Ph.D., men Shan kom direkte til Case Western Reserve University som lektor i 2001. Flere år senere, på et sabbatår, vendte hun tilbage til Heinz' laboratorium i Columbia. For en gangs skyld var hendes timing tilfældig. Hun begyndte at samarbejde med en charmerende og lysøjet kandidatstuderende i Heinz' gruppe, Kin Fai Mak.
Mak havde fulgt en anden, mindre tumultarisk vej til New York City. Da han voksede op i Hong Kong, kæmpede han i skolen, da lidt udover fysik gav mening for ham. "Det var det eneste, jeg kunne lide og var faktisk god til, så jeg valgte fysik," sagde han.
Hans bachelorforskning ved Hong Kong University skilte sig ud, og Heinz rekrutterede ham til at deltage i Columbias blomstrende fysikprogram for kondenseret stof. Der kastede han sig over forskning og tilbragte næsten alle sine vågne timer i laboratoriet bortset fra lejlighedsvis intramural fodbold. Andrea Young, en medstuderende (nu adjunkt ved University of California, Santa Barbara), delte lejlighed med Mak på West 113th Street. ”Jeg var heldig, hvis jeg kunne fange ham klokken 2 om morgenen for at lave pasta og snakke om fysik. Det hele var fysik hele tiden,” sagde Young.
Men de gode tider varede ikke. Kort efter en udflugt til Amazonas regnskoven i Colombia med Young, blev Mak syg. Hans læger var ikke sikre på, hvad de skulle mene om hans forvirrende testresultater, og han blev mere syg. Et heldigt tilfælde reddede hans liv. Young beskrev situationen for sin far, en medicinsk forsker, som straks genkendte tegnene på aplastisk anæmi - en usædvanlig blodsygdom, der tilfældigvis var genstand for hans egen forskning. "Det er faktisk virkelig sjældent at få denne sygdom, først og fremmest," sagde Mak. "Og endnu sjældnere at få en sygdom, som din bofælles far er ekspert i."
Youngs far hjalp Mak med at melde sig til eksperimentelle behandlinger. Han tilbragte en stor del af sit sidste år på kandidatskolen på hospitalet og kom tæt på døden flere gange. Under hele prøvelsen drev Maks iver for fysik ham til at fortsætte med at arbejde. "Han skrev PRL breve fra hans hospitalsseng,” sagde Young med henvisning til journalen Physical Review Letters. "På trods af alt dette var han en af de mest produktive elever nogensinde," sagde Heinz. "Det var noget af et mirakel."
Yderligere behandlinger hjalp til sidst Mak med at komme sig fuldstændigt. Young, der selv var en velkendt eksperimentalist, ville senere skændes om sine indgreb: "Blandt venner kalder jeg det mit største bidrag til fysik."
Ind i 2D-ørkenen
Mak gik videre til Cornell som postdoc-forsker i 2012, på hvilket tidspunkt Shan allerede var vendt tilbage til Case Western. De forfulgte individuelle projekter med grafen og andre materialer, men de fortsatte også med at låse op for yderligere hemmeligheder om TMD'erne sammen.
Hos Cornell lærte Mak kunsten at måle elektrontransport - den anden vigtigste måde at spå om elektronernes bevægelse, udover optik. Denne ekspertise gjorde ham og Shan til en dobbelt trussel på et felt, hvor forskere typisk specialiserer sig i den ene eller den anden type. "Når jeg møder Fai og Jie, klager jeg: 'Det er uretfærdigt, at I transporterer'," sagde Kim. "Hvad skal jeg gøre?"
Jo mere duoen lærte om TMD'er, jo mere spændende blev de. Forskere fokuserer typisk på en af to egenskaber ved elektroner: deres ladning og spin (eller iboende vinkelmomentum). Styring af strømmen af elektrisk ladning er grundlaget for moderne elektronik. Og at vende elektronernes spin kan føre til "spintronics"-enheder, der pakker mere information ind i mindre rum. I 2014 Mak hjalp med at opdage at elektroner i 2D moly-disulfid kan erhverve en speciel, tredje egenskab: Disse elektroner skal bevæge sig med bestemte mængder af momentum, en kontrollerbar egenskab kendt som "dal", som forskere spekulerer på, kan afføde endnu et tredje felt af "valleytronics"-teknologi.
Samme år identificerede Mak og Shan et andet slående træk ved TMD'er. Elektroner er ikke de eneste enheder, der bevæger sig gennem en krystal; fysikere sporer også "huller", de ledige stillinger, der skabes, når elektroner hopper andre steder. Disse huller kan strejfe et materiale som rigtige positivt ladede partikler. Det positive hul tiltrækker en negativ elektron for at danne et flygtigt partnerskab, kendt som en exciton, i øjeblikket før elektronen lukker hullet. Shan og Mak målte tiltrækningen mellem elektroner og huller i 2D wolframdiselenid og fandt det hundredvis af gange stærkere end i en typisk 3D-halvleder. Fundet antydede, at excitoner i TMD'er kunne være særligt robuste, og at elektroner generelt var mere tilbøjelige til at gøre alle mulige mærkelige ting.
Parret sikrede sig stillinger sammen ved Pennsylvania State University og startede et laboratorium der. Endelig overbevist om, at TMD'er var værd at satse deres karriere på, gjorde de materialerne til fokus for deres nye gruppe. De blev også gift.
I mellemtiden så Hones team i Columbia, at grafens egenskaber blev endnu mere ekstreme, da de placerede det oven på en højkvalitetsisolator, bornitrid. Det var et tidligt eksempel på et af de mest nye aspekter af 2D-materialer: deres stabelbarhed.
Læg et 2D-materiale oven på et andet, og lagene vil sidde en brøkdel af en nanometer fra hinanden - ingen afstand overhovedet fra deres elektroners perspektiv. Som et resultat smelter stablede ark effektivt sammen til ét stof. "Det er ikke kun to materialer sammen," sagde Wang. "Du skaber virkelig et nyt materiale."
Mens grafen udelukkende består af kulstofatomer, bringer den mangfoldige familie af TMD-gitre snesevis af yderligere elementer ind i stablespillet. Hver TMD har sine egne iboende evner. Nogle er magnetiske; andres superkondukt. Forskere så frem til at mikse og matche dem til modematerialer med deres kombinerede kræfter.
Men da Hones gruppe placerede moly-disulfid på en isolator, viste stakkens egenskaber svage gevinster sammenlignet med, hvad de havde set i grafen. Til sidst indså de, at de ikke havde kontrolleret kvaliteten af TMD-krystallerne. Da de fik nogle kolleger til at stikke deres molydisulfid under et mikroskop, der var i stand til at opløse individuelle atomer, blev de lamslåede. Nogle atomer sad det forkerte sted, mens andre var forsvundet helt. Så mange som 1 ud af 100 gittersteder havde et eller andet problem, hvilket hæmmede gitterets evne til at dirigere elektroner. Grafen var til sammenligning billedet af perfektion med omtrent en defekt pr. million atomer. "Vi indså endelig, at de ting, vi havde købt, var fuldstændigt skrald," sagde Hone.
Omkring 2016 besluttede han at gå ind i branchen med at dyrke TMD'er af forskningskvalitet. Han rekrutterede en postdoc, Daniel Rhodes, med erfaring med at dyrke krystaller ved at smelte pulvere af råmaterialer ved ekstremt høje temperaturer og derefter afkøle dem i et glacialt tempo. "Det er som at dyrke stenslik fra sukker i vand," forklarede Hone. Den nye proces tog en måned sammenlignet med et par dage for kommercielle metoder. Men det producerede TMD-krystaller hundredvis til tusindvis af gange bedre end dem, der var til salg i kemiske kataloger.
Før Shan og Mak kunne drage fordel af Hones stadig mere uberørte krystaller, stod de over for den uglamorøse opgave at finde ud af, hvordan man arbejder med mikroskopiske flager, der ikke kan lide at acceptere elektroner. For at pumpe elektroner ind (grundlaget for den transportteknik, Mak havde hentet som postdoc), var parret besat af utallige detaljer: hvilken type metal de skulle bruge til elektroden, hvor langt fra TMD'en den skulle placeres, endda hvilke kemikalier de skulle bruge. bruges til at rense kontakterne. At prøve de endeløse måder at opsætte elektroder på var langsomt og besværligt - "en tidskrævende proces med at forfine dette eller forfine det lidt efter lidt," sagde Mak.
De brugte også år på at finde ud af, hvordan man løfter og stabler de mikroskopiske flager, som kun måler tiendedele af en milliontedele meter i diameter. Med denne evne, plus Hones krystaller og forbedrede elektriske kontakter, kom alt sammen i 2018. Parret flyttede til Ithaca, New York, for at tage nye stillinger hos Cornell, og en kaskade af banebrydende resultater væltede ud af deres laboratorium.
Gennembrud hos Cornell
"I dag er alt svært at samle op af en eller anden grund," sagde Zhengchao Xia, en kandidatstuderende i Mak og Shans gruppe, da den mørke silhuet af en bornitridflage truede med at skalle af og falde tilbage til siliciumoverfladen nedenfor. Det Madagaskar-formede ark klæbede sig svagt til en stykke grafit, der lignede Saudi-Arabien, ligesom papir kunne klamre sig til den knitrende overflade af en nyligt gnidet ballon. Grafitten blev til gengæld klæbet til en klæbrig dugdråbe af plast, der var fastgjort til en glasplade. Xia brugte en computergrænseflade til at dirigere et motoriseret stativ, der greb fat i slæden. Som en arkadegænger kunne manøvrere en klomaskine med et joystick, løftede hun forsigtigt stakken op i luften med en hastighed på en femtedel af en milliontedel meter pr. museklik og stirrede intenst på computerskærmen for at se, om hun havde med succes nappet bornitridflaken.
Hun havde. Med et par klik mere kom den to-lags stak fri, og Xia bevægede sig hurtigt men bevidst for at afsætte flagerne på et tredje materiale indlejret med spredte metalelektroder. Med et par klik mere opvarmede hun overfladen og smeltede objektglasets plastikklæbemiddel, før nogen af os kunne nyse den mikroskopiske enhed væk.
"Jeg har altid det mareridt, at det bare forsvinder," sagde hun.
Fra start til slut havde det taget Xia mere end en time at samle den nederste halvdel af en simpel enhed - svarende til en åben PB&J. Hun viste mig en anden stak, hun for nylig havde sat sammen, og raslede et par af ingredienserne af, som inkluderede TMD'erne wolframdiselenid og molyditellurid. En af snesevis af mikroskopiske sandwich, hun har konstrueret og studeret i løbet af det sidste år, denne Dagwood af en enhed havde hele 10 lag og tog flere timer at samle.
Denne stabling af 2D-materialer, som også udføres i laboratorier ved Columbia, Massachusetts Institute of Technology, Berkeley, Harvard og andre institutioner, repræsenterer realiseringen af en langvarig drøm for fysikere af kondenseret stof. Forskere er ikke længere begrænset til materialer fundet i jorden eller vokset langsomt i et laboratorium. Nu kan de lege med den atomare ækvivalent af legoklodser og knipse plader sammen for at bygge skræddersyede strukturer med ønskede egenskaber. Når det kommer til at samle TMD-strukturer, er få gået så langt som Cornell-gruppen.
Mak og Shans første store opdagelse hos Cornell vedrørte excitoner, de stærkt bundne elektron-hul-par, de havde set i TMD'er tilbage i 2014. Excitoner intrigerer fysikere, fordi disse "kvasipartikler” kan tilbyde en rundvej til at opnå et evigt mål for kondenseret stofs fysik: superledning ved stuetemperatur.
Excitoner spiller efter de samme funky regler som elektron-elektron-par; Disse elektron-hul-par bliver også til bosoner, hvilket lader dem "kondensere" til en delt kvantetilstand kendt som et Bose-Einstein-kondensat. Denne sammenhængende horde af kvasipartikler kan vise kvantetræk såsom superfluiditet, evnen til at flyde uden modstand. (Når en supervæske fører elektrisk strøm, superleder den.)
Men i modsætning til frastødende elektroner elsker elektroner og huller at koble sig sammen. Forskere siger, at dette potentielt gør deres lim stærkere. Udfordringerne til exciton-baseret superledning ligger i at forhindre elektronen i at fylde hullet og få de elektrisk neutrale par til at flyde i en strøm - alt sammen i et så varmt rum som muligt. Indtil videre har Mak og Shan løst det første problem og har en plan for at tackle det andet.
Skyer af atomer kan lokkes til at danne kondensat ved at nedkøle dem til et hår over det absolutte nulpunkt med kraftige lasere. Men teoretikere har længe haft mistanke om, at kondensater af excitoner kunne dannes ved højere temperaturer. Cornell-gruppen gjorde denne idé til virkelighed med deres stabelbare TMD'er. Ved hjælp af en to-lags sandwich satte de ekstra elektroner i det øverste lag og fjernede elektroner fra bunden og efterlod huller. Elektronerne og hullerne parrede sig og lavede excitoner, der har lang levetid, fordi elektronerne har problemer med at hoppe til det modsatte lag for at neutralisere deres partnere. I oktober 2019, gruppen indberettede tegn af et excitonkondensat ved lune 100 kelvin. I denne opsætning holdt excitonerne ved i titusvis af nanosekunder, en levetid for denne type kvasipartikler. I efteråret 2021, beskrev gruppen et forbedret apparat, hvor excitoner ser ud til at vare i millisekunder, som Mak kaldte "praktisk talt for evigt."
Holdet forfølger nu en ordning lavet af teoretikere i 2008 for at skabe en excitonstrøm. Allan MacDonald, en fremtrædende teoretiker af kondenseret stof ved University of Texas, Austin, og hans kandidatstuderende Jung-Jung Su foreslog at få neutrale excitoner til at flyde ved at anvende et elektrisk felt orienteret på en måde, der tilskynder både elektroner og huller til at bevæge sig i samme retning. For at klare det i laboratoriet må Cornell-gruppen igen kæmpe med deres evige fjende, elektriske kontakter. I dette tilfælde skal de fastgøre flere sæt elektroder til TMD-lagene, nogle for at fremstille excitonerne og andre for at flytte dem.
Shan og Mak tror, de er på vej til snart at få excitoner til at flyde med op til 100 kelvin. Det er et koldt rum for en person (-173 grader Celsius eller -280 grader Fahrenheit), men det er et stort spring fra de nanokelvin-forhold, som de fleste bosoniske kondensater har brug for.
"Det vil i sig selv være en flot præstation," sagde Mak med et snedigt smil, "at varme temperaturen op med en milliard gange."
Magiske Moiré-materialer
I 2018, mens Cornell-laboratoriet øgede deres TMD-eksperimenter, lancerede en anden grafenoverraskelse en anden 2D-materialerevolution. Pablo Jarillo-Herrero, en forsker ved MIT og en anden Columbia alun, annoncerede, at vridning af et lag grafen i forhold til laget nedenfor skabte et magisk nyt 2D-materiale. Hemmeligheden var at tabe det øverste lag, så dets sekskanter landede med et lille "twist", så de blev drejet nøjagtigt 1.1 grader mod sekskanterne nedenfor. Denne vinkelforskydning forårsager en forskydning mellem atomer, der vokser og krymper, når du bevæger dig hen over et materiale, hvilket genererer et gentaget mønster af store "superceller", kendt som et moiré-supergitter. MacDonald og en kollega havde beregnet i 2011 at ved den "magiske vinkel" på 1.1 grader ville supergitterets unikke krystalstruktur tvinge grafens elektroner til at bremse og fornemme deres naboers frastødning.
Når elektroner bliver opmærksomme på hinanden, sker der mærkelige ting. I normale isolatorer, ledere og halvledere menes elektroner kun at interagere med atomernes gitter; de ræser for hurtigt rundt til at lægge mærke til hinanden. Men bremset til en gennemgang, kan elektroner støde hinanden og kollektivt antage et udvalg af eksotiske kvantetilstande. Jarillo-Herreros eksperimenter viste, at f.eks dårligt forstået årsager, denne elektron-til-elektron kommunikation i snoet, magisk vinkel grafen giver anledning til en især stærk form for superledning.
Grafen moiré supergitteret introducerede også forskere til en radikal ny måde at kontrollere elektroner på. I supergitteret bliver elektroner uvidende om de enkelte atomer og oplever selve supercellerne, som om de var kæmpe atomer. Dette gør det nemt at befolke supercellerne med nok elektroner til at danne kollektive kvantetilstande. Ved at bruge et elektrisk felt til at ringe op eller ned for det gennemsnitlige antal elektroner pr. supercelle, var Jarillo-Herreros gruppe i stand til at få deres snoede tolags grafenenhed til at fungere som en superleder, fungere som en isolator, eller vis en flåde af andet, fremmed elektronadfærd.
Fysikere over hele verden skyndte sig ind i det begyndende felt af "twistronics". Men mange har fundet ud af, at det er svært at vride. Atomer har ingen grund til at falde pænt ind i den "magiske" 1.1-graders forskydning, så ark rynker på måder, der fuldstændig ændrer deres egenskaber. Xia, Cornell-studerende, sagde, at hun har en flok venner på andre universiteter, der arbejder med snoede enheder. At skabe en fungerende enhed tager dem typisk dusinvis af forsøg. Og selv da opfører hver enhed sig forskelligt, så specifikke eksperimenter er næsten umulige at gentage.
TMD'er præsenterer en langt nemmere måde at skabe moiré-supergitter på. Fordi forskellige TMD'er har sekskantede gitter af forskellige størrelser, skaber en stabling af et gitter af lidt større sekskanter over et mindre gitter et moiré-mønster på samme måde som vinkelforskydning gør. I dette tilfælde, fordi der ikke er nogen rotation mellem lagene, er det mere sandsynligt, at stakken klikker på plads og forbliver stille. Når Xia sætter sig for at skabe en TMD-moiré-enhed, sagde hun, at hun generelt lykkes fire gange ud af fem.
TMD moiré materialer er ideelle legepladser til at udforske elektroninteraktioner. Fordi materialerne er halvledere, bliver deres elektroner tunge, når de går gennem materialerne, i modsætning til de frenetiske elektroner i grafen. Og de gigantiske moiré-celler bremser dem yderligere: Mens elektroner ofte bevæger sig mellem atomer ved at "tunnelere", en kvantemekanisk adfærd, der ligner teleportation, sker tunnelering sjældent i et moiré-gitter, da superceller sidder omkring 100 gange længere fra hinanden end atomerne inde i dem . Afstanden hjælper elektronerne med at falde til ro og giver dem en chance for at kende deres naboer.
Shan og Maks venlige rival, Feng Wang, var en af de første til at genkende potentialet i TMD moiré supergitter. Bagsideberegninger foreslog, at disse materialer skulle give anledning til en af de enkleste måder, elektroner kan organisere på - en tilstand kendt som en Wigner-krystal, hvor gensidig frastødning låser sløve elektroner på plads. Wangs hold så tegn på sådanne tilstande i 2020 og udgivet det første billede af elektroner, der holder hinanden i armslængde Natur i 2021. På det tidspunkt havde rygtet om Wangs TMD-moiré-aktiviteter allerede spredt sig gennem det tætte 2D-fysikfællesskab, og Cornell TMD-fabrikken var i gang med at finde deres egne TMD-moiré-enheder. Shan og Mak rapporterede også beviser for Wigner-krystaller i TMD-supergitter i 2020 og opdagede inden for måneder, at elektroner i deres enheder kunne krystallisere i næsten to dusin forskellige Wigner-krystalmønstre.
Samtidig lavede Cornell-gruppen også TMD-moiré-materialer til et elværktøj. MacDonald og samarbejdspartnere havde forudsagt i 2018, at disse enheder har den rigtige kombination af tekniske funktioner til at gøre dem perfekt til at repræsentere en af de vigtigste legetøjsmodeller inden for kondenseret stofs fysik. Hubbard-modellen, som den kaldes, er et teoretiseret system, der bruges til at forstå en lang række elektronadfærd. Uafhængigt foreslået af Martin Gutzwiller, Junjiro Kanamori og John Hubbard i 1963, er modellen fysikeres bedste forsøg på at strippe den praktisk talt uendelige række af krystallinske gitter til deres mest væsentlige egenskaber. Forestil dig et gitter af atomer, der er vært for elektroner. Hubbard-modellen antager, at hver elektron føler to konkurrerende kræfter: Den ønsker at bevæge sig ved at tunnelere til naboatomer, men den bliver også frastødt af sine naboer, hvilket gør, at den ønsker at blive, hvor den er. Forskellig adfærd opstår alt efter hvilket ønske der er stærkest. Det eneste problem med Hubbard-modellen er, at i alle undtagen det enkleste tilfælde - en 1D-streng af atomer - er den matematisk uløselig.
Ifølge MacDonald og kolleger kunne TMD-moiré-materialer fungere som "simulatorer" af Hubbard-modellen og potentielt løse nogle af feltets dybeste mysterier, såsom arten af den lim, der binder elektroner til superledende par i cuprates. I stedet for at kæmpe med en umulig ligning, kunne forskere sætte elektroner løs i en TMD-sandwich og se, hvad de gjorde. "Vi kan skrive denne model ned, men det er meget svært at besvare mange vigtige spørgsmål," sagde MacDonald. "Nu kan vi gøre det bare ved at lave et eksperiment. Det er virkelig banebrydende.”
For at bygge deres Hubbard-modelsimulator stablede Shan og Mak lag af wolframdiselenid og wolframsulfid for at skabe et moiré-supergitter, og de fastgjorde elektroder til at ringe op eller ned i et elektrisk felt, der passerede gennem TMD-sandwichen. Det elektriske felt styrede, hvor mange elektroner der ville fylde hver supercelle. Da cellerne fungerer som gigantiske atomer, var det at gå fra én elektron til to elektroner per supercelle som at omdanne et gitter af brintatomer til et gitter af heliumatomer. I deres første Hubbard-modelpublikation in Natur i marts 2020 rapporterede de om simulering af atomer med op til to elektroner; i dag kan de gå op til otte. På en eller anden måde havde de indset det ældgamle mål med at forvandle bly til guld. "Det er ligesom at indstille kemi," sagde Mak, "at gå gennem det periodiske system." I princippet kan de endda fremtrylle et gitter af fiktive atomer med f.eks. 1.38 elektroner hver.
Dernæst kiggede gruppen til de kunstige atomers hjerter. Med flere elektroder kunne de kontrollere supercellernes "potentiale" ved at foretage ændringer svarende til at tilføje positive protoner til centrene af de gigantiske syntetiske atomer. Jo mere ladning en kerne har, jo sværere er det for elektroner at tunnelere væk, så dette elektriske felt lod dem hæve og sænke hoppetendensen.
Mak og Shans kontrol over de gigantiske atomer – og derfor Hubbard-modellen – var fuldstændig. TMD moiré-systemet lader dem kalde et gitter af ersatz-atomer, selv dem der ikke findes i naturen, og gnidningsløst transformere dem, som de ønsker. Det er en magt, der selv for andre forskere på området grænser til magisk. "Hvis jeg skulle fremhæve deres mest spændende og imponerende indsats, så er det den," sagde Kim.
Cornell-gruppen brugte hurtigt deres designeratomer til at afgøre en 70 år gammel debat. Spørgsmålet var: Hvad hvis du kunne tage en isolator og justere dens atomer for at gøre den til et ledende metal? Ville overgangen ske gradvist eller brat?
Med deres moiré-alkymi gennemførte Shan og Mak tankeeksperimentet i deres laboratorium. Først simulerede de tunge atomer, som fangede elektroner, så TMD-supergitteret virkede som en isolator. Derefter krympede de atomerne og svækkede fælden, indtil elektroner blev i stand til at hoppe til frihed og lod supergitteret blive et ledende metal. Ved at observere en gradvist faldende elektrisk modstand, mens supergitteret i stigende grad opførte sig som et metal, viste de, at overgangen ikke er brat. Dette fund, som meddelte de in Natur sidste år, åbner muligheden for, at supergitterets elektroner kan være i stand til at opnå en længe søgt type fluiditet kendt som en kvantespinvæske. "Det kan være det mest interessante problem, man kan tackle," sagde Mak.
Næsten på samme tid lykkedes parret med, hvad nogle fysikere betragter som deres mest betydningsfulde opdagelse endnu. "Det var faktisk en total ulykke," sagde Mak. "Ingen havde forventet det."
Da de startede deres Hubbard-simulatorforskning, brugte forskerne TMD-sandwich, hvor sekskanterne på de to lag er justeret, med overgangsmetaller oven på overgangsmetaller og chalcogenider oven på chalcogenider. (Det var da, de opdagede den gradvise overgang mellem isolator og metal.) Så gentog de tilfældigvis eksperimentet med enheder, hvori det øverste lag var blevet stablet bagud.
Som før begyndte modstanden at falde, da elektroner begyndte at hoppe. Men så dykkede det brat og faldt så lavt, at forskerne spekulerede på, om moiréen var begyndt at superlede. Udforsker de dog videre målte et sjældent mønster af modstand kendt som den kvante-anomale Hall-effekt - et bevis på, at der foregik noget endnu mere underligt. Effekten indikerede, at enhedens krystalstruktur tvang elektroner langs kanten af materialet til at virke anderledes end dem i midten. I midten af enheden blev elektroner fanget i en isolerende tilstand. Men rundt i omkredsen flød de i én retning - hvilket forklarer den superlave modstand. Ved et tilfælde havde forskerne skabt en ekstremt usædvanlig og skrøbelig type stof kendt som en Chern-isolator.
Den kvante anomale hall-effekt, første gang observeret i 2013, falder normalt fra hinanden, hvis temperaturen stiger over et par hundrededele af en kelvin. I 2019 havde Youngs gruppe i Santa Barbara set det en enkeltstående snoet grafen sandwich omkring 5 kelvin. Nu havde Shan og Mak opnået effekten ved næsten samme temperatur, men i en no-twist TMD-enhed, som enhver kan genskabe. "Vores var en højere temperatur, men jeg tager deres hver dag, fordi de kan gøre det 10 gange i træk," sagde Young. Det betyder, at du kan forstå det "og bruge det til faktisk at gøre noget."
Mak og Shan mener, at de med lidt fifleri kan bruge TMD-moiré-materialer til at bygge Chern-isolatorer, der overlever til 50 eller 100 kelvin. Hvis de lykkes, kan arbejdet føre til en anden måde at få strøm til at flyde uden modstand - i det mindste for små "nanoledninger", som de måske endda kan tænde og slukke på bestemte steder i en enhed.
Udforskning i Flatland
Selvom de skelsættende resultater hober sig op, viser parret ingen tegn på at sætte farten ned. Den dag, jeg besøgte, så Mak på, mens elever puslede med et tårnhøjt fortyndingskøleskab, der ville lade dem køle deres enheder ned til temperaturer, der er tusind gange koldere end det, de hidtil har arbejdet med. Der har været så meget fysik at opdage under "varmere" forhold, at gruppen ikke har haft en chance for grundigt at søge i det dybere kryogene område efter tegn på superledning. Hvis superkøleskabet lader TMD'erne superlede, vil det besvare endnu et spørgsmål, som viser det en form for magnetisme, der er iboende for cuprates (men fraværende fra TMD'er) er ikke en væsentlig ingrediens i den elektronbindende lim. "Det er som at dræbe en af de vigtige komponenter, som teoretikere virkelig ønskede at dræbe i lang tid," sagde Mak.
Han og Shan og deres gruppe er ikke engang begyndt at eksperimentere med nogle af de mere funky TMD'er. Efter at have brugt år på at opfinde det nødvendige udstyr til at bevæge sig rundt på kontinentet af 2D-materialer, er de endelig klar til at vove sig ud over molydisulfid-strandhovedet, de landede på tilbage i 2010.
De to forskere tilskriver deres succes en samarbejdskultur, som de absorberede i Columbia. Det første samarbejde med Hone, der introducerede dem til molydisulfid, siger de, var blot en af de mange muligheder, de nød, fordi de var frie til at følge deres nysgerrighed. "Vi behøvede ikke at diskutere" deres planer med Heinz, lederen af deres laboratorium, sagde Shan. ”Vi talte med folk fra andre grupper. Vi lavede eksperimenterne. Vi har endda pakket tingene ind.”
I dag plejer de et lignende afslappet miljø på Cornell, hvor de fører tilsyn med et par dusin postdocs, gæsteforskere og studerende, som alle stort set er frie til at gøre deres egne ting. "Elever er meget kloge og har gode ideer," sagde Mak. "Nogle gange vil man ikke blande sig."
Deres ægteskab gør også deres laboratorium unikt. De to har lært at læne sig op af deres personlige styrker. Udover en overflod af kreativitet som eksperimentalist besidder Shan en omhyggelig disciplin, der gør hende til en god leder; Mens vi tre talte sammen, skubbede hun ofte "Professor Fai" tilbage på sporet, når hans entusiasme for fysik skubbede ham for dybt ind i det tekniske. Mak på sin side nyder at arbejde sammen med de tidlige karriereforskere, både i og uden for laboratoriet. Han begyndte for nylig at klatre med gruppen. "Det ser ud til, at deres laboratorium er deres familie," sagde Young. Shan og Mak fortalte mig, at de opnår mere sammen, end de kunne alene. "En plus en er mere end to," sagde Mak.
De enheder, de bygger, kan også stables, så de er mere end summen af deres dele. Mens forskere slår TMD-ark sammen for at skabe excitoner og moiré-supergitter, spekulerer de i, hvordan de nye måder at domesticere elektroner på kan overlade teknologien. Selvom lommeklar superledning forbliver uhåndgribelig, kan Bose-Einstein-kondensater føre til ultrafølsomme kvantesensorer, og bedre kontrol af Chern-lignende isolatorer kunne muliggøre kraftfulde kvantecomputere. Og det er bare de åbenlyse ideer. Inkrementelle forbedringer inden for materialevidenskab lægger ofte op til radikale anvendelser, som de færreste så komme. Forskerne, der udviklede transistoren, ville for eksempel have kæmpet med at forudsige smartphones drevet af milliarder af mikroskopiske kontakter, der var proppet ind i en chip på størrelse med en fingernegl. Og de videnskabsmænd, der bestræbte sig på at skabe glasfibre, der kunne bære lys hen over deres laboratoriebænk, kunne ikke have forudset, at 10,000 kilometer undersøiske optiske fibre en dag ville forbinde kontinenter. Todimensionelle materialer kan udvikle sig i lignende uforudsigelige retninger. "En virkelig ny materialeplatform genererer sine egne applikationer i modsætning til at fortrænge eksisterende materialer," sagde Heinz.
Mens de kørte mig til Ithaca-busstoppestedet, fortalte Shan og Mak mig om en nylig (og sjælden) ferie, de tog til Banff, Canada, hvor de endnu en gang viste deres evne til at snuble over overraskelser gennem en blanding af indsats og held. De havde brugt dage på at prøve - forgæves - at få øje på en bjørn. Så, i slutningen af turen, på vej til lufthavnen, stoppede de for at strække benene ved et botanisk reservat og stod ansigt til ansigt med en sort bjørn.
På samme måde med kondenseret stoffysik er deres tilgang at vandre rundt sammen i et nyt landskab og se, hvad der dukker op. "Vi har ikke meget teoretisk vejledning, men vi fjoller bare rundt og leger med eksperimenter," sagde Mak. "Det kan mislykkes, men nogle gange kan du støde ind i noget meget uventet."
