Molybdänit sieht selbst für das geschulte Auge fast identisch mit Graphit aus – ein glänzender, silbriger Kristall. Es wirkt auch ähnlich und löst Flocken auf eine Weise ab, die für eine gute Bleistiftfüllung sorgen würde. Aber für ein Elektron bilden die beiden Atomgitter unterschiedliche Welten. Die Auszeichnung wurde erstmals vor 244 Jahren in die wissenschaftlichen Aufzeichnungen aufgenommen. Carl Scheele, ein schwedischer Chemiker, der für seine Entdeckung des Sauerstoffs bekannt ist, tauchte jedes Mineral in verschiedene Säuren und beobachtete die grellen Gaswolken, die aufstiegen. Scheele, der diesen Ansatz schließlich mit seinem Leben bezahlte und im Alter von 43 Jahren an einer vermuteten Schwermetallvergiftung starb, kam zu dem Schluss, dass Molybdänit eine neue Substanz sei. 1778 beschrieb er es in einem Brief an die Königlich Schwedische Akademie der Wissenschaften und schrieb: „Ich beziehe mich hier nicht auf den allgemein bekannten Graphit, den man in der Apotheke erwerben kann. Dieses Übergangsmetall scheint unbekannt zu sein.“
Molybdänit wurde im 20. Jahrhundert zu einem beliebten Schmiermittel, da es zu pulvrigen Bruchstücken neigt. Es half Skiern, weiter durch den Schnee zu gleiten, und glättete den Austritt von Kugeln aus Gewehrläufen in Vietnam.
Heute treibt dieselbe Flockigkeit eine physikalische Revolution an.
Die Durchbrüche begannen mit Graphit und Klebeband. Forscher entdeckten 2004 zufällig, dass sie mit Klebeband Graphitflocken ablösen konnten, die nur ein Atom dick waren. Diese kristallinen Schichten, jede eine flache Anordnung von Kohlenstoffatomen, hatten erstaunliche Eigenschaften, die sich radikal von denen der dreidimensionalen Kristalle unterschieden, aus denen sie entstanden. Graphen (wie seine Entdecker es nannten) war eine ganz neue Substanzkategorie – ein 2D-Material. Seine Entdeckung veränderte die Physik der kondensierten Materie, den Zweig der Physik, der versucht, die vielen Formen und Verhaltensweisen der Materie zu verstehen. Fast die Hälfte aller Physiker sind Festkörperphysiker; Es ist das Teilgebiet, das uns Computerchips, Laser, LED-Lampen, MRT-Geräte, Solarmodule und alle möglichen modernen technologischen Wunder gebracht hat. Nach der Entdeckung von Graphen begannen Tausende von Physikern für kondensierte Materie, das neue Material zu untersuchen, in der Hoffnung, dass es zukünftige Technologien untermauern würde.
Die Entdecker von Graphen erhielten 2010 den Nobelpreis für Physik. Im selben Jahr haben zwei junge Physiker an der Columbia University, Ji Shan machen Kin Fai Mak, sah Anzeichen dafür, dass Molybdänit-Flocken noch magischer sein könnten als Graphen. Das weniger bekannte Mineral hat Eigenschaften, die es schwierig machen, es zu untersuchen – zu schwierig für viele Labore –, aber es fesselte Shan und Mak. Das hartnäckige Duo widmete fast ein Jahrzehnt dem Ringen um 2D-Molybdänit (oder Molybdändisulfid, wie die im Labor gezüchtete Version des Kristalls genannt wird) und eine Familie eng verwandter 2D-Kristalle.
Jetzt zahlt sich ihr Einsatz aus. Shan und Mak, die inzwischen verheiratet sind und eine gemeinsame Forschungsgruppe an der Cornell University leiten, haben gezeigt, dass 2D-Kristalle aus Molybdändisulfid und seinen Verwandten eine enorme Vielfalt exotischer Quantenphänomene hervorrufen können. „Es ist ein verrückter Spielplatz“, sagte er James Hon, ein Forscher an der Columbia, der das Cornell-Labor mit hochwertigen Kristallen beliefert. „Man kann die gesamte moderne Physik der kondensierten Materie in einem Materialsystem betreiben.“
Die Gruppe von Shan und Mak hat Elektronen eingefangen, die sich in diesen flachen Kristallen auf beispiellose Weise verhalten. Sie haben die Partikel dazu gebracht, zu einer Quantenflüssigkeit zu verschmelzen und zu einer Auswahl eisähnlicher Strukturen zu gefrieren. Sie haben gelernt, Gitter aus gigantischen künstlichen Atomen zusammenzubauen, die nun als Prüfstände für grundlegende Materietheorien dienen. Seit der Eröffnung ihres Cornell-Labors im Jahr 2018 haben die Meister der Elektronenbändiger acht atemberaubende Artikel veröffentlicht Natur, die renommierteste Wissenschaftszeitschrift, sowie eine Reihe weiterer Veröffentlichungen. Theoretiker sagen, dass das Paar das Verständnis dafür erweitert, wozu Massen von Elektronen in der Lage sind.
Ihre Forschung „ist in vielerlei Hinsicht zutiefst beeindruckend“, sagte sie Philipp Kim, ein prominenter Physiker für kondensierte Materie an der Harvard University. "Es ist, würde ich sagen, sensationell."
Aufstieg von 2D-Materialien
Die Eigenschaften eines Materials spiegeln im Allgemeinen wider, was seine Elektronen tun. In Leitern wie beispielsweise Metallen segeln Elektronen mühelos zwischen Atomen und transportieren Elektrizität. In Isolatoren wie Holz und Glas bleiben Elektronen an Ort und Stelle. Halbleiter wie Silizium liegen dazwischen: Ihre Elektronen können durch Energiezufuhr in Bewegung versetzt werden und sind damit ideal zum An- und Abschalten von Strömen – die Aufgabe eines Transistors. In den letzten 50 Jahren haben Physiker der kondensierten Materie neben diesen drei grundlegenden Verhaltensweisen von Elektronen beobachtet, dass sich die leichten geladenen Teilchen auf viel exotischere Weise verhalten.
Eine der dramatischeren Überraschungen kam 1986, als zwei IBM-Forscher, Georg Bednorz und Alex Müller, erkannt ein Elektronenstrom, der sich ohne jeglichen Widerstand durch einen Kristall aus Kupferoxid („Kuprat“) bewegt. Diese Supraleitfähigkeit – die Fähigkeit von Elektrizität, mit perfekter Effizienz zu fließen – war zuvor beobachtet worden, aber nur aus wohlverstandenen Gründen bei Materialien, die auf wenige Grad vom absoluten Nullpunkt gekühlt wurden. Diesmal beobachteten Bednorz und Müller eine mysteriöse Form des Phänomens, die bei rekordverdächtigen 35 Kelvin (also 35 Grad über dem absoluten Nullpunkt) anhielt. Wissenschaftler entdeckten bald andere Cuprate, die oberhalb von 100 Kelvin supraleitend sind. Ein Traum wurde geboren, der vielleicht noch heute das wichtigste Ziel der Physik der kondensierten Materie ist: die Suche oder Entwicklung einer Substanz, die Elektrizität in unserer heißen Welt mit etwa 300 Kelvin supraleitend machen kann, was verlustfreie Stromleitungen, schwebende Fahrzeuge und andere hypereffiziente Geräte ermöglicht würde den Energiebedarf der Menschheit deutlich reduzieren.
Der Schlüssel zur Supraleitung besteht darin, Elektronen, die sich normalerweise gegenseitig abstoßen, dazu zu bringen, sich zu paaren und Einheiten zu bilden, die als Bosonen bekannt sind. Bosonen können dann kollektiv zu einer reibungslosen Quantenflüssigkeit verschmelzen. Anziehungskräfte, die Bosonen erzeugen, wie Atomschwingungen, können die Abstoßung von Elektronen normalerweise nur bei kryogenen Temperaturen oder überwinden hohe Drücke. Aber die Notwendigkeit dieser extremen Bedingungen hat die Supraleitung daran gehindert, ihren Weg in alltägliche Geräte zu finden. Die Entdeckung der Cuprate weckte die Hoffnung, dass das richtige Atomgitter Elektronen so fest „zusammenkleben“ könnte, dass sie auch bei Raumtemperatur haften bleiben.
40 Jahre nach der Entdeckung von Bednorz und Müller sind sich Theoretiker immer noch nicht ganz sicher, wie der Klebstoff in Cupraten funktioniert, geschweige denn, wie man die Materialien optimiert, um ihn zu verstärken. Daher ist ein Großteil der Forschung in der Physik der kondensierten Materie eine Trial-and-Error-Jagd nach Kristallen, die ihre Elektronen gepaart halten oder Elektronen auf andere wundersame Weise hüten können. „Kondensierte Materie ist ein Zweig der Physik, der glückliche Zufälle zulässt“, sagte Kim. Das war die Entdeckung von 2004D-Materialien im Jahr 2.
Andre Geim machen Konstantin Novoselov, arbeitet mit Graphit an der University of Manchester in Großbritannien, entdeckt eine schockierende Folge der Flockigkeit des Materials. Ein Graphitkristall enthält Kohlenstoffatome, die in locker gebundenen Schichten von Sechsecken angeordnet sind. Theoretiker hatten lange vorhergesagt, dass ohne den stabilisierenden Einfluss des Stapels wärmeinduzierte Vibrationen eine einlagige Platte aufbrechen würden. Aber Geim und Novoselov stellten fest, dass sie stabile, atomar dünne Folien mit wenig mehr als Klebeband und Beharrlichkeit ablösen konnten. Graphen war das erste wirklich flache Material – eine Ebene, auf der Elektronen herumgleiten können, aber nicht auf und ab.
Hone, der Columbia-Physiker, entdeckte, dass das dünnste Material der Welt irgendwie ist auch der stärkste. Es war eine bemerkenswerte Überraschung für ein Material, von dem Theoretiker dachten, dass es überhaupt nicht zusammenhalten würde.
Was die Physiker an Graphen am meisten faszinierte, war, wie das Kohlenstoff-Flachland Elektronen umwandelte: Nichts konnte sie verlangsamen. Elektronen werden oft durch das Atomgitter, durch das sie sich bewegen, zu Fall gebracht und wirken schwerer als ihre Lehrbuchmasse (die unbeweglichen Elektronen eines Isolators verhalten sich, als hätten sie eine unendliche Masse). Das flache Gitter von Graphen ließ Elektronen jedoch mit einer Million Meter pro Sekunde herumsausen – nur ein paar hundert Mal langsamer als die Lichtgeschwindigkeit. Mit dieser konstanten, rasenden Geschwindigkeit flogen die Elektronen, als hätten sie überhaupt keine Masse, und segneten Graphen mit extremer (wenn auch nicht überragender) Leitfähigkeit.
Rund um den Wunderstoff entstand ein ganzes Feld. Auch die Forscher begannen, breiter zu denken. Könnten 2D-Flocken anderer Substanzen eigene Superkräfte beherbergen? Hone gehörte zu denen, die sich verzweigten. 2009 maß er einige mechanische Eigenschaften des Doppelgängers von Graphit, Molybdändisulfid, und gab den Kristall dann an zwei optische Spezialisten im Columbia-Labor von Tony Heinz weiter. Es war ein zufälliger Schritt, der die Karrieren aller Beteiligten verändern würde.
Die Molybdändisulfid-Probe landete in den Händen von Jie Shan, einer Gastprofessorin zu Beginn ihrer Karriere, und Kin Fai Mak, einer Doktorandin. Das junge Duo untersuchte, wie Graphen mit Licht interagiert, aber sie hatten bereits begonnen, von anderen Materialien zu träumen. Die schnellen Elektronen von Graphen machen es zu einem fantastischen Leiter, aber was sie wollten, war ein 2D-Halbleiter – ein Material, dessen Elektronenfluss sie an- und ausschalten konnten und das daher als Transistor dienen könnte.
Molybdändisulfid war als Halbleiter bekannt. Und Shan und Mak fanden bald heraus, dass es, wie Graphit, in 2D zusätzliche Kräfte erhielt. Als sie einen Laser auf 3D-Kristalle aus „Molybdändisulfid“ (wie sie es liebevoll nennen) richteten, blieben die Kristalle dunkel. Aber als Shan und Mak Schichten mit Klebeband abrissen, sie mit einem Laser trafen und sie unter einem Mikroskop untersuchten, sahen sie die 2D-Folien hell leuchten.
Forschungen anderer Gruppen würden später bestätigen, dass gut gemachte Platten aus einem eng verwandten Material jedes letzte Photon reflektieren, das sie trifft. „Das ist irgendwie verblüffend“, sagte Mak kürzlich, als ich ihn und Shan in ihrem gemeinsamen Büro in Cornell traf. „Man hat nur eine einzige Atomschicht, die 100 % des Lichts wie ein perfekter Spiegel reflektieren kann.“ Sie erkannten, dass diese Eigenschaft zu spektakulären optischen Geräten führen könnte.
Unabhängig, Feng Wang, ein Physiker an der University of California, Berkeley, machte die gleiche Entdeckung. Ein hochreflektierendes 2D-Material und dazu noch ein Halbleiter erregten die Aufmerksamkeit der Community. Beide Gruppen veröffentlichten ihre Ergebnisse im Jahr 2010; Die Papiere wurden seitdem zusammen mehr als 16,000 Mal zitiert. „Jeder mit Laser begann sich sehr für 2D-Materialien zu interessieren“, sagte Hone.
Durch die Identifizierung von Molybdändisulfid als zweites 2D-Wundermaterial hatten die beiden Gruppen einen ganzen Kontinent von 2D-Materialien erreicht. Molybdändisulfid gehört zu einer Stofffamilie, die als Übergangsmetall-Dichalkogenide (TMDs) bekannt sind, in denen sich Atome aus der mittleren metallischen Region des Periodensystems wie Molybdän mit Paaren chemischer Verbindungen verbinden, die als Chalkogenide bekannt sind, wie beispielsweise Schwefel. Molybdändisulfid ist die einzige natürlich vorkommende TMD, aber es gibt sie Dutzende mehr die Forscher in Labors herstellen können – Wolframdisulfid, Molybdänditellurid und so weiter. Die meisten bilden schwach gebundene Blätter, was sie anfällig für die geschäftliche Seite eines Klebebandes macht.
Die anfängliche Welle der Aufregung verebbte jedoch bald, als die Forscher darum kämpften, TMDs dazu zu bringen, mehr als nur zu glänzen. Wangs Gruppe zum Beispiel griff auf Graphen zurück, nachdem sie feststellte, dass sie Metallelektroden nicht einfach an Molybdändisulfid anbringen konnten. „Das ist seit einigen Jahren der Stolperstein für unsere Gruppe“, sagte er. „Auch jetzt sind wir nicht sehr gut darin, Kontakte zu knüpfen.“ Der Hauptvorteil von TMDs gegenüber Graphen schien auch ihre größte Schwäche zu sein: Um die elektronischen Eigenschaften eines Materials zu untersuchen, müssen Forscher oft Elektronen hineinschieben und den Widerstand des resultierenden Stroms messen. Da Halbleiter jedoch schlechte Leiter sind, ist es schwierig, Elektronen hinein- oder herauszubekommen.
Mak und Shan fühlten sich zunächst ambivalent. „Es war wirklich unklar, ob wir weiter an Graphen arbeiten oder mit der Arbeit an diesem neuen Material beginnen sollten“, sagte Mak. „Aber da wir festgestellt haben, dass es diese schöne Eigenschaft hat, haben wir noch ein paar weitere Experimente durchgeführt.“
Während ihrer Arbeit wurden die beiden Forscher immer mehr von Molybdändisulfid und voneinander verzaubert. Anfangs war ihr Kontakt beruflich und beschränkte sich weitgehend auf forschungsbezogene E-Mails. „Fai fragte oft: ‚Wo ist dieses Gerät? Wo hast du das hingelegt?'“, sagte Shan. Aber schließlich wurde ihre Beziehung, die durch viele Stunden inkubiert und durch experimentellen Erfolg katalysiert wurde, romantisch. „Wir haben uns einfach zu oft gesehen, buchstäblich im selben Labor, das an demselben Projekt arbeitete“, sagte Mak. „Dass das Projekt sehr gut funktioniert hat uns auch gefreut.“
Alle Physik die ganze Zeit
Es würde eine Partnerschaft zwischen zwei engagierten Physikern mit eiserner Disziplin erfordern, um die lästigen TMDs in den Griff zu bekommen.
Akademiker kamen immer leicht zu Shan. Sie wuchs in den 1970er Jahren in der Küstenprovinz Zhejiang auf und war eine Spitzenschülerin, die sich in Mathematik, Naturwissenschaften und Sprache auszeichnete und sich einen begehrten Platz an der University of Science and Technology of China in Hefei sicherte. Dort qualifizierte sie sich für ein selektives Kulturaustauschprogramm zwischen China und der Sowjetunion und ergriff die Chance, Russisch und Physik an der Moskauer Staatsuniversität zu studieren. „Als Teenager möchte man die Welt erkunden“, sagte sie. „Ich habe nicht gezögert.“
Sofort sah sie mehr von der Welt, als sie erwartet hatte. Visaprobleme verzögerten ihre Ankunft in Russland um einige Monate und sie verlor ihren Platz im Sprachprogramm. Die Behörden fanden ihr einen anderen Kurs, und kurz nach der Landung in Moskau bestieg sie einen Zug und reiste 5,000 Kilometer nach Osten. Drei Tage später traf sie bei Wintereinbruch in der Stadt Irkutsk mitten in Sibirien ein. „Der Rat, den ich bekam, war: ‚Fass niemals etwas ohne Handschuhe an'“, damit sie nicht stecken bleibt, sagte sie.
Shan behielt ihre Handschuhe an, lernte in einem einzigen Semester Russisch und lernte die schroffe Schönheit der winterlichen Landschaft zu schätzen. Als der Kurs zu Ende war und der Schnee schmolz, kehrte sie in die Hauptstadt zurück, um ihr Physikstudium zu beginnen, und kam im Frühjahr 1990, mitten in der Auflösung der Sowjetunion, in Moskau an.
Das waren chaotische Jahre. Shan sah Panzer durch die Straßen in der Nähe der Universität rollen, als Kommunisten versuchten, die Kontrolle über die Regierung zurückzugewinnen. Bei einer anderen Gelegenheit brachen unmittelbar nach einer Abschlussprüfung Kämpfe aus. „Wir konnten Schüsse hören und uns wurde gesagt, wir sollten das Licht im Wohnheim ausschalten“, sagte sie. Alles, vom Essen bis zum Toilettenpapier, wurde über ein Couponsystem rationiert. Dennoch fühlte sich Shan von der Widerstandskraft ihrer Professoren inspiriert, die ihre Forschungen trotz der Turbulenzen fortsetzten. „Die Bedingungen waren hart, aber viele der Wissenschaftler hatten diese Einstellung. Sie lieben wirklich, was sie tun, trotz allem, was vor sich geht“, sagte sie.
Als die Weltordnung zusammenbrach, zeichnete sich Shan durch die Veröffentlichung einer theoretischen Optikarbeit aus, die Heinz in Columbia auffiel. Er ermutigte sie, sich zu bewerben, und sie zog nach New York, wo sie gelegentlich anderen internationalen Studenten half, in einem fremden Land Fuß zu fassen. Sie rekrutierte Wang zum Beispiel für die Arbeit in Heinz' Labor und gab experimentelle Tipps weiter. „Sie hat mir beigebracht, geduldig zu sein“, sagte er, und „wie man vom Laser nicht frustriert wird.“
Die meisten Forscher nehmen nach ihrer Promotion eine Postdoktorandenstelle an, aber Shan kam 2001 direkt als außerordentliche Professorin an die Case Western Reserve University. Einige Jahre später kehrte sie während eines Sabbaticals in Heinz' Labor an der Columbia zurück. Ausnahmsweise war ihr Timing zufällig. Sie begann mit Kin Fai Mak, einem charmanten und strahlenden Doktoranden in Heinz' Gruppe, zusammenzuarbeiten.
Mak war einen anderen, weniger turbulenten Weg nach New York City gegangen. In Hongkong aufgewachsen, hatte er Probleme in der Schule, da außer Physik für ihn wenig Sinn machte. „Das war das Einzige, was ich mag und worin ich wirklich gut bin, also habe ich mich für Physik entschieden“, sagte er.
Seine Bachelor-Forschung an der Hong Kong University stach hervor, und Heinz rekrutierte ihn, um an Columbias boomendem Physikprogramm für kondensierte Materie teilzunehmen. Dort stürzte er sich in die Forschung und verbrachte fast alle seine wachen Stunden im Labor, abgesehen von gelegentlichen Fußballspielen. Andrea Young, eine Studienkollegin (jetzt Assistenzprofessorin an der University of California, Santa Barbara), teilte sich eine Wohnung mit Mak in der West 113th Street. „Ich hatte Glück, wenn ich ihn um 2 Uhr morgens treffen konnte, um Nudeln zu kochen und über Physik zu sprechen. Es war die ganze Zeit alles Physik “, sagte Young.
Aber die guten Zeiten hielten nicht an. Kurz nach einem Ausflug mit Young in den Amazonas-Regenwald in Kolumbien erkrankte Mak. Seine Ärzte waren sich nicht sicher, was sie von seinen rätselhaften Testergebnissen halten sollten, und er wurde kränker. Ein glücklicher Zufall rettete ihm das Leben. Young beschrieb die Situation seinem Vater, einem medizinischen Forscher, der sofort die Anzeichen einer aplastischen Anämie erkannte – einer ungewöhnlichen Bluterkrankung, die zufällig Gegenstand seiner eigenen Forschung war. „Zuallererst ist es wirklich sehr selten, diese Krankheit zu bekommen“, sagte Mak. „Und noch seltener eine Krankheit zu bekommen, für die der Vater deines Mitbewohners Experte ist.“
Youngs Vater half Mak, sich für experimentelle Behandlungen anzumelden. Er verbrachte einen Großteil seines letzten Jahres an der Graduiertenschule im Krankenhaus und kam mehrmals dem Tod nahe. Während der ganzen Tortur trieb Maks Begeisterung für Physik ihn dazu, weiterzuarbeiten. „Er hat geschrieben PRL Briefe von seinem Krankenhausbett“, sagte Young und bezog sich auf das Tagebuch Physical Review Letters. „Trotzdem war er einer der produktivsten Studenten überhaupt“, sagte Heinz. "Es war so etwas wie ein Wunder."
Weitere Behandlungen verhalfen Mak schließlich zu einer vollständigen Genesung. Young, selbst ein bekannter Experimentator, witzelte später über seine Interventionen: „Unter Freunden nenne ich es meinen größten Beitrag zur Physik.“
In die 2D-Wildnis
Mak wechselte 2012 als Postdoktorand nach Cornell, zu diesem Zeitpunkt war Shan bereits zu Case Western zurückgekehrt. Sie verfolgten einzelne Projekte mit Graphen und anderen Materialien, lüfteten aber auch weiterhin gemeinsam weitere Geheimnisse der TMDs.
In Cornell lernte Mak die Kunst der Elektronentransportmessungen – neben der Optik die andere Hauptmethode, um die Bewegung von Elektronen zu erahnen. Dieses Fachwissen machte ihn und Shan zu einer doppelten Bedrohung in einem Bereich, in dem sich Forscher normalerweise auf die eine oder andere Art spezialisieren. „Immer wenn ich Fai und Jie treffe, beschwere ich mich: ‚Es ist unfair, dass ihr Transport macht'“, sagte Kim. "Was soll ich machen?"
Je mehr das Duo über TMDs erfuhr, desto faszinierender wurden sie. Forscher konzentrieren sich typischerweise auf eine von zwei Eigenschaften von Elektronen: ihre Ladung und ihren Spin (oder Eigendrehimpuls). Die Kontrolle des Flusses elektrischer Ladung ist die Grundlage moderner Elektronik. Und das Umdrehen des Elektronenspins könnte zu „Spintronik“-Geräten führen, die mehr Informationen auf kleinerem Raum unterbringen. Im Jahr 2014, Mak half bei der Entdeckung dass Elektronen in 2D-Molydisulfid eine besondere dritte Eigenschaft erwerben können: Diese Elektronen müssen sich mit einem bestimmten Impuls bewegen, einem kontrollierbaren Attribut, das als „Tal“ bekannt ist und von dem Forscher spekulieren, dass es ein drittes Feld der „Valleytronics“-Technologie hervorbringen könnte.
Im selben Jahr identifizierten Mak und Shan ein weiteres auffälliges Merkmal von TMDs. Elektronen sind nicht die einzigen Einheiten, die sich durch einen Kristall bewegen; Physiker verfolgen auch „Löcher“, die Leerstellen, die entstehen, wenn Elektronen woanders hinspringen. Diese Löcher können wie echte positiv geladene Teilchen durch ein Material wandern. Das positive Loch zieht ein negatives Elektron an, um eine flüchtige Partnerschaft zu bilden, die als Exziton bekannt ist, in dem Moment, bevor das Elektron das Loch verstopft. Shan und Mak Anziehung gemessen zwischen Elektronen und Löchern in 2D-Wolframdiselenid und fand es hundertmal stärker als in einem typischen 3D-Halbleiter. Der Befund deutete darauf hin, dass Exzitonen in TMDs besonders robust sein könnten und dass Elektronen im Allgemeinen eher alle möglichen seltsamen Dinge tun würden.
Das Paar sicherte sich gemeinsam Positionen an der Pennsylvania State University und gründete dort ein Labor. Endlich davon überzeugt, dass es sich lohnt, auf TMDs zu setzen, machten sie die Materialien zum Mittelpunkt ihrer neuen Gruppe. Sie haben auch geheiratet.
In der Zwischenzeit sah Hones Team bei Columbia, dass die Eigenschaften von Graphen noch extremer wurden, als sie es auf einen hochwertigen Isolator, Bornitrid, legten. Es war ein frühes Beispiel für einen der neusten Aspekte von 2D-Materialien: ihre Stapelbarkeit.
Legen Sie ein 2D-Material auf ein anderes, und die Schichten liegen einen Bruchteil eines Nanometers voneinander entfernt – aus der Perspektive ihrer Elektronen überhaupt kein Abstand. Dadurch verschmelzen gestapelte Blätter effektiv zu einer Substanz. „Es sind nicht nur zwei Materialien zusammen“, sagte Wang. „Du erschaffst wirklich ein neues Material.“
Während Graphen ausschließlich aus Kohlenstoffatomen besteht, bringt die vielfältige Familie der TMD-Gitter dutzende zusätzliche Elemente ins Stapelspiel. Jede TMD hat ihre eigenen intrinsischen Fähigkeiten. Einige sind magnetisch; andere supraleitend. Die Forscher freuten sich darauf, sie mit ihren kombinierten Kräften zu mischen und an Modematerialien anzupassen.
Aber als Hones Gruppe Molybdändisulfid auf einem Isolator platzierte, zeigten die Eigenschaften des Stapels glanzlose Verbesserungen im Vergleich zu dem, was sie in Graphen gesehen hatten. Schließlich stellten sie fest, dass sie die Qualität der TMD-Kristalle nicht überprüft hatten. Als sie einige Kollegen ihr Molybdändisulfid unter ein Mikroskop stecken ließen, das in der Lage war, einzelne Atome aufzulösen, waren sie fassungslos. Einige Atome saßen an der falschen Stelle, während andere völlig verschwunden waren. Bis zu 1 von 100 Gitterplätzen hatte ein Problem, das die Fähigkeit des Gitters, Elektronen zu lenken, beeinträchtigte. Im Vergleich dazu war Graphen das Bild der Perfektion mit ungefähr einem Defekt pro Million Atome. "Wir haben endlich gemerkt, dass das Zeug, das wir gekauft hatten, kompletter Müll war", sagte Hone.
Um 2016 beschloss er, in das Geschäft mit dem Anbau von TMDs in Forschungsqualität einzusteigen. Er rekrutierte einen Postdoc, Daniel Rhodos, mit Erfahrung in der Züchtung von Kristallen durch Schmelzen von Rohstoffpulvern bei extrem hohen Temperaturen und anschließendem Abkühlen in einem Gletschertempo. „Es ist, als würde man Kandiszucker aus Zucker in Wasser züchten“, erklärte Hone. Der neue Prozess dauerte einen Monat, im Vergleich zu einigen Tagen bei kommerziellen Methoden. Aber es produzierte TMD-Kristalle, die hundert- bis tausendmal besser waren als die, die in Chemikalienkatalogen verkauft wurden.
Bevor Shan und Mak die zunehmend makellosen Kristalle von Hone nutzen konnten, standen sie vor der unspektakulären Aufgabe, herauszufinden, wie man mit mikroskopisch kleinen Flocken arbeitet, die Elektronen nicht gerne aufnehmen. Um Elektronen hineinzupumpen (die Grundlage der Transporttechnik, die Mak als Postdoc erlernt hatte), war das Paar von unzähligen Details besessen: welche Art von Metall für die Elektrode verwendet werden sollte, wie weit von der TMD entfernt, um sie zu platzieren, sogar welche Chemikalien verwenden, um die Kontakte zu reinigen. Das Ausprobieren der endlosen Möglichkeiten zum Anbringen von Elektroden war langsam und mühsam – „ein zeitaufwändiger Prozess, dies oder jenes Stück für Stück zu verfeinern“, sagte Mak.
Sie haben auch Jahre damit verbracht, herauszufinden, wie man die mikroskopisch kleinen Flocken, die nur Zehntelmillionstel Meter messen, anheben und stapeln kann. Mit dieser Fähigkeit, zusammen mit Hones Kristallen und verbesserten elektrischen Kontakten, kam 2018 alles zusammen. Das Paar zog nach Ithaca, New York, um neue Positionen bei Cornell einzunehmen, und eine Kaskade bahnbrechender Ergebnisse ergoss sich aus ihrem Labor.
Durchbrüche bei Cornell
„Heute ist aus irgendeinem Grund alles schwer zu verstehen“, sagte Zhengchao Xia, ein Doktorand in der Gruppe von Mak und Shan, als die dunkle Silhouette einer Bornitridflocke drohte, sich abzulösen und auf die darunter liegende Siliziumoberfläche zurückzufallen. Das Blatt in Form von Madagaskar klebte schwach an einem Stück Graphit, das Saudi-Arabien ähnelte, ähnlich wie Papier an der knisternden Oberfläche eines kürzlich abgeriebenen Ballons haften könnte. Der Graphit wiederum klebte an einem klebrigen Tautropfen aus Kunststoff, der an einem Objektträger aus Glas befestigt war. Xia verwendete eine Computerschnittstelle, um einen motorisierten Ständer zu lenken, der die Rutsche greift. Wie ein Spielhallengänger eine Klauenmaschine mit einem Joystick manövrieren würde, hob sie den Stapel behutsam mit einer Geschwindigkeit von einem Fünftel eines Millionstel Meters pro Mausklick in die Luft und starrte angestrengt auf den Computermonitor, um zu sehen, ob sie es getan hatte erfolgreich die Bornitrid-Flake geschnappt.
Sie hatte. Mit ein paar weiteren Klicks löste sich der zweischichtige Stapel, und Xia bewegte sich schnell, aber bewusst, um die Flocken auf einem dritten Material abzulegen, in das ausgedehnte Metallelektroden eingebettet waren. Mit ein paar weiteren Klicks erhitzte sie die Oberfläche und schmolz den Plastikkleber des Objektträgers, bevor einer von uns das mikroskopische Gerät wegniesen konnte.
„Ich habe immer diesen Albtraum, dass es einfach verschwindet“, sagte sie.
Von Anfang bis Ende hatte Xia mehr als eine Stunde gebraucht, um die untere Hälfte eines einfachen Geräts zusammenzubauen – das Äquivalent eines offenen PB&J. Sie zeigte mir einen anderen Stapel, den sie kürzlich zusammengestellt hatte, und ratterte ein paar der Zutaten herunter, darunter die TMDs Wolframdiselenid und Molybdänditellurid. Eines von Dutzenden mikroskopisch kleiner Sandwiches, die sie im letzten Jahr konstruiert und studiert hat, dieses Dagwood-Gerät hatte satte 10 Schichten und es dauerte mehrere Stunden, es zusammenzubauen.
Dieses Stapeln von 2D-Materialien, das auch in Labors an der Columbia, dem Massachusetts Institute of Technology, Berkeley, Harvard und anderen Institutionen durchgeführt wird, stellt die Verwirklichung eines lang gehegten Traums der Physiker der kondensierten Materie dar. Forscher sind nicht länger auf Materialien beschränkt, die im Boden gefunden oder langsam in einem Labor gezüchtet werden. Jetzt können sie mit dem atomaren Äquivalent von Legosteinen spielen und Blätter zusammenstecken, um maßgeschneiderte Strukturen mit den gewünschten Eigenschaften zu bauen. Wenn es um die Montage von TMD-Strukturen geht, sind nur wenige so weit gegangen wie die Cornell-Gruppe.
Die erste große Entdeckung von Mak und Shan in Cornell betraf Exzitonen, die stark gebundenen Elektron-Loch-Paare, die sie bereits 2014 in TMDs gesehen hatten. Exzitonen faszinieren Physiker, weil diese „Quasiteilchen“ könnte einen Umweg bieten, um ein ewiges Ziel der Physik der kondensierten Materie zu erreichen: Supraleitung bei Raumtemperatur.
Exzitonen spielen nach den gleichen verrückten Regeln wie Elektron-Elektron-Paare; Auch diese Elektron-Loch-Paare werden zu Bosonen, die sie zu einem gemeinsamen Quantenzustand, dem sogenannten Bose-Einstein-Kondensat, „kondensieren“ lassen. Diese kohärente Horde von Quasiteilchen kann Quantenmerkmale wie Suprafluidität aufweisen, die Fähigkeit, ohne Widerstand zu fließen. (Wenn ein Suprafluid elektrischen Strom führt, ist es supraleitend.)
Aber im Gegensatz zu abstoßenden Elektronen koppeln sich Elektronen und Löcher gerne. Forscher sagen, dass dies ihren Kleber möglicherweise stärker macht. Die Herausforderungen der auf Exzitonen basierenden Supraleitung bestehen darin, das Elektron daran zu hindern, das Loch zu füllen, und die elektrisch neutralen Paare dazu zu bringen, in einem Strom zu fließen – und das alles in einem möglichst warmen Raum. Bisher haben Mak und Shan das erste Problem gelöst und haben einen Plan, das zweite anzugehen.
Atomwolken können dazu gebracht werden, Kondensate zu bilden, indem man sie mit starken Lasern bis auf ein Haar über dem absoluten Nullpunkt abkühlt. Doch Theoretiker vermuten seit langem, dass sich bei höheren Temperaturen Kondensate von Exzitonen bilden könnten. Die Cornell-Gruppe hat diese Idee mit ihren stapelbaren TMDs verwirklicht. Unter Verwendung eines zweischichtigen Sandwichs setzten sie zusätzliche Elektronen in die obere Schicht und entfernten Elektronen von der unteren Schicht, wodurch Löcher zurückblieben. Die Elektronen und Löcher paaren sich und bilden Exzitonen, die langlebig sind, weil die Elektronen Schwierigkeiten haben, in die gegenüberliegende Schicht zu springen, um ihre Partner zu neutralisieren. Im Oktober 2019 hat die Gruppe gemeldete Zeichen eines Exzitonenkondensats bei milden 100 Kelvin. In diesem Aufbau blieben die Exzitonen mehrere zehn Nanosekunden lang bestehen, eine Lebensdauer für diese Art von Quasiteilchen. Im Herbst 2021beschrieb die Gruppe einen verbesserten Apparat, bei dem Exzitonen Millisekunden zu dauern scheinen, was Mak „praktisch für immer“ nannte.
Das Team verfolgt nun ein Schema 2008 von Theoretikern erfunden, um einen Exzitonenstrom zu erzeugen. Allan McDonald, ein prominenter Theoretiker der kondensierten Materie an der University of Texas, Austin, und sein Doktorand Jung-Jung Su schlugen vor, neutrale Exzitonen zum Fließen zu bringen, indem sie ein elektrisches Feld anlegen, das so ausgerichtet ist, dass sowohl Elektronen als auch Löcher dazu angeregt werden, sich in die gleiche Richtung zu bewegen. Um es im Labor durchzuziehen, muss sich die Cornell-Gruppe erneut mit ihrem ewigen Feind, den elektrischen Kontakten, auseinandersetzen. In diesem Fall müssen sie mehrere Elektrodensätze an den TMD-Schichten anbringen, einige, um die Exzitonen herzustellen, andere, um sie zu bewegen.
Shan und Mak glauben, dass sie bald Exzitonen mit bis zu 100 Kelvin zum Fließen bringen werden. Das ist ein kalter Raum für eine Person (–173 Grad Celsius oder –280 Grad Fahrenheit), aber es ist ein großer Sprung von den Nanokelvin-Bedingungen, die die meisten bosonischen Kondensate benötigen.
„Das ist schon eine schöne Leistung“, sagte Mak mit einem verschmitzten Lächeln, „um die Temperatur milliardenfach zu erhöhen.“
Magische Moiré-Materialien
Im Jahr 2018, als das Cornell-Labor seine TMD-Experimente hochfuhr, löste eine weitere Graphen-Überraschung eine zweite 2D-Materialrevolution aus. Pablo Jarillo-Herrero, ein Forscher am MIT und ein anderer Columbia-Absolvent, gab bekannt, dass das Verdrehen einer Graphenschicht in Bezug auf die darunter liegende Schicht ein magisches neues 2D-Material erzeugt. Das Geheimnis bestand darin, die obere Schicht so fallen zu lassen, dass ihre Sechsecke mit einer leichten „Drehung“ landeten, sodass sie genau um 1.1 Grad gegen die Sechsecke darunter gedreht waren. Diese Winkelfehlausrichtung verursacht einen Versatz zwischen Atomen, der wächst und schrumpft, wenn Sie sich über ein Material bewegen, wodurch ein sich wiederholendes Muster großer „Superzellen“ entsteht, das als Moiré-Übergitter bekannt ist. MacDonald und ein Kollege hatten 2011 berechnet dass bei dem „magischen Winkel“ von 1.1 Grad die einzigartige Kristallstruktur des Übergitters die Elektronen von Graphen zwingen würde, sich zu verlangsamen und die Abstoßung ihrer Nachbarn zu spüren.
Wenn Elektronen aufeinander aufmerksam werden, passieren seltsame Dinge. In normalen Isolatoren, Leitern und Halbleitern wird angenommen, dass Elektronen nur mit dem Atomgitter interagieren; Sie rennen zu schnell herum, um einander zu bemerken. Aber zu einem Schleichen verlangsamt können Elektronen einander anrempeln und gemeinsam eine Reihe exotischer Quantenzustände annehmen. Experimente von Jarillo-Herrero zeigten, dass z schlecht verstanden Aus diesen Gründen führt diese Elektron-zu-Elektron-Kommunikation in verdrehtem Graphen mit magischem Winkel zu einem besonders starke Form der Supraleitung.
Das Graphen-Moiré-Übergitter führte die Forscher auch zu einer radikal neuen Art der Steuerung von Elektronen. Im Übergitter vergessen die Elektronen die einzelnen Atome und erleben die Superzellen selbst wie riesige Atome. Dies macht es einfach, die Superzellen mit genügend Elektronen zu besetzen, um kollektive Quantenzustände zu bilden. Durch die Verwendung eines elektrischen Feldes, um die durchschnittliche Anzahl von Elektronen pro Superzelle zu erhöhen oder zu verringern, war die Gruppe von Jarillo-Herrero in der Lage, ihre verdrillte zweischichtige Graphenvorrichtung dazu zu bringen, als Supraleiter zu fungieren ein Isolator, oder zeigen Sie a an Floß von anderen, fremdes Elektronenverhalten.
Physiker auf der ganzen Welt stürzten sich in das aufstrebende Gebiet der „Twistronik“. Aber viele haben festgestellt, dass das Verdrehen schwierig ist. Atome haben keinen Grund, ordentlich in die „magische“ 1.1-Grad-Fehlausrichtung zu fallen, daher knittern Blätter auf eine Weise, die ihre Eigenschaften vollständig verändert. Xia, die Cornell-Doktorandin, sagte, sie habe ein paar Freunde an anderen Universitäten, die mit verdrehten Geräten arbeiten. Um ein funktionierendes Gerät zu erstellen, sind normalerweise Dutzende von Versuchen erforderlich. Und selbst dann verhält sich jedes Gerät anders, sodass bestimmte Experimente kaum wiederholbar sind.
TMDs bieten eine viel einfachere Möglichkeit, Moiré-Übergitter zu erzeugen. Da verschiedene TMDs sechseckige Gitter unterschiedlicher Größe haben, erzeugt das Stapeln eines Gitters aus etwas größeren Sechsecken über einem kleineren Gitter ein Moiré-Muster, genau wie dies bei einer Winkelfehlausrichtung der Fall ist. Da es in diesem Fall keine Drehung zwischen den Schichten gibt, ist es wahrscheinlicher, dass der Stapel einrastet und still bleibt. Wenn Xia sich daran macht, ein TMD-Moiré-Gerät zu entwickeln, sagt sie, gelingt ihr das im Allgemeinen in vier von fünf Fällen.
TMD-Moiré-Materialien sind ideale Spielplätze für die Erforschung von Elektronenwechselwirkungen. Da es sich bei den Materialien um Halbleiter handelt, werden ihre Elektronen schwer, wenn sie sich durch die Materialien schlagen, im Gegensatz zu den hektischen Elektronen in Graphen. Und die gigantischen Moiré-Zellen bremsen sie weiter aus: Während sich Elektronen oft durch „Tunneln“, ein quantenmechanisches Verhalten, das der Teleportation ähnelt, zwischen Atomen bewegen, findet Tunneln in einem Moiré-Gitter selten statt, da Superzellen etwa 100-mal weiter voneinander entfernt sitzen als die Atome in ihnen . Die Entfernung hilft den Elektronen, sich niederzulassen, und gibt ihnen die Möglichkeit, ihre Nachbarn kennenzulernen.
Shans und Maks freundlicher Rivale Feng Wang war einer der ersten, der das Potenzial von TMD-Moiré-Übergittern erkannte. Back-of-the-Envelope-Rechnungen legten nahe, dass diese Materialien eine der einfachsten Möglichkeiten zur Organisation von Elektronen hervorrufen sollten – einen Zustand, der als Wigner-Kristall bekannt ist, in dem lethargische Elektronen durch gegenseitige Abstoßung an Ort und Stelle gehalten werden. Wangs Team sah Zeichen solcher Zustände im Jahr 2020 und veröffentlicht das erste Bild von Elektronen, die sich auf Armeslänge halten Natur im Jahr 2021. Zu diesem Zeitpunkt hatte sich die Nachricht von Wangs TMD-Moiré-Aktivitäten bereits in der engmaschigen 2D-Physik-Community verbreitet, und die TMD-Fabrik von Cornell produzierte eigene TMD-Moiré-Geräte am laufenden Band. Shan und Mak berichteten auch über Beweise für Wigner-Kristalle in TMD-Übergittern im Jahr 2020 und entdeckten innerhalb von Monaten, dass Elektronen in ihren Geräten fast einkristallisieren konnten zwei Dutzend verschiedene Wigner-Kristallmuster.
Zur gleichen Zeit verarbeitete die Cornell-Gruppe auch TMD-Moiré-Materialien zu einem Elektrowerkzeug. MacDonald und Mitarbeiter hatte vorausgesagt 2018, dass diese Geräte über die richtige Kombination technischer Merkmale verfügen, um eines der wichtigsten Spielzeugmodelle in der Physik der kondensierten Materie perfekt darzustellen. Das Hubbard-Modell, wie es genannt wird, ist ein theoretisches System, das verwendet wird, um eine Vielzahl von Elektronenverhalten zu verstehen. Unabhängig vorgeschlagen von Martin Gutzwiller, Junjiro Kanamori und John Hubbard im Jahr 1963, ist das Modell der beste Versuch der Physiker, die praktisch unendliche Vielfalt kristalliner Gitter auf ihre wesentlichsten Merkmale zu reduzieren. Stellen Sie sich ein Gitter aus Atomen vor, die Elektronen beherbergen. Das Hubbard-Modell geht davon aus, dass jedes Elektron zwei konkurrierende Kräfte verspürt: Es möchte sich durch Tunneln zu benachbarten Atomen bewegen, wird aber auch von seinen Nachbarn abgestoßen, was es dazu bringt, dort zu bleiben, wo es ist. Je nachdem, welches Verlangen am stärksten ist, ergeben sich unterschiedliche Verhaltensweisen. Das einzige Problem mit dem Hubbard-Modell ist, dass es in allen außer dem einfachsten Fall – einer 1D-Reihe von Atomen – mathematisch unlösbar ist.
Laut MacDonald und Kollegen könnten TMD-Moiré-Materialien als „Simulatoren“ des Hubbard-Modells fungieren und möglicherweise einige der tiefsten Rätsel auf diesem Gebiet lösen, wie etwa die Natur des Klebstoffs, der Elektronen in supraleitenden Paaren in Cupraten bindet. Anstatt mit einer unmöglichen Gleichung zu kämpfen, konnten Forscher Elektronen in einem TMD-Sandwich freisetzen und sehen, was sie taten. „Wir können dieses Modell aufschreiben, aber es ist sehr schwierig, viele wichtige Fragen zu beantworten“, sagte MacDonald. „Jetzt können wir es einfach durch ein Experiment tun. Das ist wirklich bahnbrechend.“
Um ihren Hubbard-Modellsimulator zu bauen, stapelten Shan und Mak Schichten aus Wolframdiselenid und Wolframsulfid, um ein Moiré-Übergitter zu erzeugen, und sie befestigten Elektroden, um ein elektrisches Feld, das durch das TMD-Sandwich geht, nach oben oder unten zu wählen. Das elektrische Feld steuerte, wie viele Elektronen jede Superzelle füllen würden. Da sich die Zellen wie riesige Atome verhalten, war der Übergang von einem Elektron zu zwei Elektronen pro Superzelle wie die Umwandlung eines Gitters aus Wasserstoffatomen in ein Gitter aus Heliumatomen. In ihrem Erstveröffentlichung des Hubbard-Modells in Natur im März 2020 berichteten sie über die Simulation von Atomen mit bis zu zwei Elektronen; heute können sie bis zu acht steigen. In gewisser Weise hatten sie das uralte Ziel, Blei in Gold zu verwandeln, verwirklicht. "Es ist wie die Abstimmung der Chemie", sagte Mak, "das Periodensystem durchgehen." Im Prinzip können sie sogar ein Gitter aus fiktiven Atomen mit jeweils sagen wir 1.38 Elektronen heraufbeschwören.
Als nächstes betrachtete die Gruppe die Herzen der künstlichen Atome. Mit mehr Elektroden könnten sie das „Potenzial“ der Superzellen kontrollieren, indem sie Änderungen vornehmen, die dem Hinzufügen positiver Protonen zu den Zentren der riesigen synthetischen Atome ähneln. Je mehr Ladung ein Kern hat, desto schwieriger ist es für Elektronen, wegzutunneln, also lässt dieses elektrische Feld sie die Sprungtendenz erhöhen und verringern.
Mak und Shans Kontrolle über die Riesenatome – und damit das Hubbard-Modell – war vollständig. Mit dem TMD-Moiré-System können sie ein Gitter aus Ersatzatomen beschwören, sogar solche, die in der Natur nicht existieren, und sie nach Belieben reibungslos umwandeln. Es ist eine Kraft, die selbst für andere Forscher auf diesem Gebiet an Magie grenzt. „Wenn ich ihre aufregendste und beeindruckendste Leistung hervorheben sollte, dann diese“, sagte Kim.
Die Cornell-Gruppe setzte schnell ihre Designeratome ein, um eine 70 Jahre alte Debatte beizulegen. Die Frage war: Was wäre, wenn man einen Isolator nehmen und seine Atome optimieren könnte, um ihn in ein leitendes Metall zu verwandeln? Würde die Umstellung schrittweise oder abrupt erfolgen?
Mit ihrer Moiré-Alchemie führten Shan und Mak das Gedankenexperiment in ihrem Labor durch. Zuerst simulierten sie schwere Atome, die Elektronen einfingen, sodass das TMD-Übergitter wie ein Isolator wirkte. Dann schrumpften sie die Atome und schwächten die Falle, bis die Elektronen in die Freiheit hüpfen konnten, wodurch das Übergitter zu einem leitenden Metall wurde. Indem sie beobachteten, dass der elektrische Widerstand allmählich abnahm, während sich das Übergitter zunehmend wie ein Metall verhielt, zeigten sie, dass der Übergang nicht abrupt ist. Dieser Befund, der sie kündigten an in Natur letztes Jahr, eröffnet die Möglichkeit, dass die Elektronen des Übergitters in der Lage sein könnten, eine lang gesuchte Art von Fluidität zu erreichen, die als a bekannt ist Quantenspinflüssigkeit. „Das ist vielleicht das interessanteste Problem, das man angehen kann“, sagte Mak.
Fast zur gleichen Zeit hatte das Paar Glück in etwas, das einige Physiker als ihre bisher bedeutendste Entdeckung betrachten. „Eigentlich war es ein totaler Unfall“, sagte Mak. „Niemand hat damit gerechnet.“
Als sie mit ihrer Hubbard-Simulatorforschung begannen, verwendeten die Forscher TMD-Sandwiches, bei denen die Sechsecke auf den beiden Schichten ausgerichtet waren, mit Übergangsmetallen auf Übergangsmetallen und Chalkogeniden auf Chalkogeniden. (Dabei entdeckten sie den allmählichen Übergang vom Isolator zum Metall.) Dann wiederholten sie zufällig das Experiment mit Geräten, bei denen die oberste Schicht rückwärts gestapelt war.
Wie zuvor begann der Widerstand zu fallen, als die Elektronen zu hüpfen begannen. Aber dann stürzte es abrupt ab und ging so tief, dass sich die Forscher fragten, ob das Moiré begonnen hatte, zu supraleiten. Erforschen sie jedoch weiter ein seltenes Widerstandsmuster gemessen bekannt als quantenanomaler Hall-Effekt – ein Beweis dafür, dass etwas noch Seltsameres vor sich ging. Der Effekt deutete darauf hin, dass die Kristallstruktur des Geräts Elektronen entlang der Kante des Materials zwang, sich anders zu verhalten als diejenigen in der Mitte. In der Mitte des Geräts wurden Elektronen in einem isolierenden Zustand eingefangen. Aber um den Umfang herum flossen sie in eine Richtung – was den extrem niedrigen Widerstand erklärt. Durch Zufall hatten die Forscher eine äußerst ungewöhnliche und zerbrechliche Art von Materie geschaffen, die als Chern-Isolator bekannt ist.
Der quantenanomale Hall-Effekt, erstmals 2013 beobachtet, zerfällt normalerweise, wenn die Temperatur über einige Hundertstel Kelvin steigt. Im Jahr 2019 hatte Youngs Gruppe in Santa Barbara es gesehen ein einmaliges verdrehtes Graphen-Sandwich bei etwa 5 Kelvin. Jetzt hatten Shan und Mak den Effekt bei fast derselben Temperatur erzielt, aber in einem TMD-Gerät ohne Drehung, das jeder nachbauen kann. „Unsere hatten eine höhere Temperatur, aber ich nehme ihre jeden Tag, weil sie es 10 Mal hintereinander tun können“, sagte Young. Das heißt, Sie können es verstehen, „und es verwenden, um tatsächlich etwas zu tun“.
Mak und Shan glauben, dass sie TMD-Moiré-Materialien verwenden können, um Chern-Isolatoren zu bauen, die bis zu 50 oder 100 Kelvin überleben. Wenn sie erfolgreich sind, könnte die Arbeit zu einer anderen Möglichkeit führen, Strom ohne Widerstand zum Fließen zu bringen – zumindest für winzige „Nanodrähte“, die sie möglicherweise sogar an bestimmten Stellen innerhalb eines Geräts ein- und ausschalten können.
Erkundung im Flachland
Auch wenn sich die wegweisenden Ergebnisse häufen, zeigt das Paar keine Anzeichen einer Verlangsamung. An dem Tag, an dem ich sie besuchte, sah Mak zu, wie die Schüler an einem hoch aufragenden Verdünnungskühlschrank bastelten, mit dem sie ihre Geräte auf Temperaturen abkühlen konnten, die tausendmal kälter waren als die, mit denen sie bisher gearbeitet hatten. Unter „wärmeren“ Bedingungen gab es so viel Physik zu entdecken, dass die Gruppe keine Gelegenheit hatte, das tiefere kryogene Reich gründlich nach Anzeichen von Supraleitung zu durchsuchen. Wenn der Superkühlschrank die TMDs supraleitend werden lässt, wird das eine weitere Frage beantworten und dies zeigen eine Form von Magnetismus, die Cupraten innewohnt (aber in TMDs nicht vorhanden) ist kein wesentlicher Bestandteil des elektronenbindenden Klebers. „Das ist, als würde man eine der wichtigen Komponenten töten, die Theoretiker schon lange unbedingt töten wollten“, sagte Mak.
Er und Shan und ihre Gruppe haben noch nicht einmal begonnen, mit einigen der funkigeren TMDs zu experimentieren. Nachdem sie Jahre damit verbracht haben, die Ausrüstung zu erfinden, die benötigt wird, um sich auf dem Kontinent der 2D-Materialien zu bewegen, bereiten sie sich endlich darauf vor, sich über den Molybdändisulfid-Brückenkopf hinauszuwagen, auf dem sie 2010 gelandet sind.
Die beiden Forscher führen ihren Erfolg auf eine Kultur der Zusammenarbeit zurück, die sie in Columbia übernommen haben. Die anfängliche Zusammenarbeit mit Hone, die sie mit Molybdändisulfid bekannt machte, war nur eine der vielen Gelegenheiten, die sie genossen, weil sie ihrer Neugier freien Lauf lassen konnten. „Wir mussten ihre Pläne nicht mit Heinz, dem Leiter ihres Labors, besprechen“, sagte Shan. „Wir haben mit Leuten aus anderen Gruppen gesprochen. Wir haben die Experimente gemacht. Wir haben sogar alles eingepackt.“
Heute pflegen sie ein ähnlich entspanntes Umfeld in Cornell, wo sie ein paar Dutzend Postdocs, Gastforscher und Studenten betreuen, die alle weitgehend frei sind, ihr eigenes Ding zu machen. „Schüler sind sehr schlau und haben gute Ideen“, sagte Mak. „Manchmal will man sich nicht einmischen.“
Ihre Ehe macht auch ihr Labor einzigartig. Die beiden haben gelernt, sich auf ihre persönlichen Stärken zu stützen. Neben einer Fülle von Kreativität als Experimentatorin besitzt Shan eine sorgfältige Disziplin, die sie zu einer guten Managerin macht; Während wir uns zu dritt unterhielten, schubste sie „Professor Fai“ häufig wieder auf den richtigen Weg, wenn ihn sein Enthusiasmus für Physik zu sehr ins Technische trieb. Mak seinerseits arbeitet gerne mit den Nachwuchsforschern zusammen, sowohl innerhalb als auch außerhalb des Labors. Vor kurzem hat er mit der Gruppe mit dem Felsklettern begonnen. „Es scheint, als wäre ihr Labor ihre Familie“, sagte Young. Shan und Mak haben mir erzählt, dass sie gemeinsam mehr erreichen als alleine. „Eins plus eins ist mehr als zwei“, sagte Mak.
Die Geräte, die sie bauen, können auch mehr als die Summe ihrer Teile sein. Während Forscher TMD-Folien zusammenfügen, um Exzitonen und Moiré-Übergitter zu erzeugen, spekulieren sie darüber, wie die neuen Arten der Domestizierung von Elektronen die Technologie aufladen könnten. Auch wenn Supraleitung im Taschenformat schwer fassbar bleibt, könnten Bose-Einstein-Kondensate zu ultraempfindlichen Quantensensoren führen und eine bessere Kontrolle von Chern-ähnlichen Isolatoren ermöglichen leistungsstarke Quantencomputer. Und das sind nur die offensichtlichen Ideen. Inkrementelle Verbesserungen in der Materialwissenschaft summieren sich oft zu radikalen Anwendungen, die nur wenige kommen sahen. Die Forscher, die den Transistor entwickelt haben, hätten zum Beispiel Mühe gehabt, Smartphones vorherzusagen, die von Milliarden mikroskopisch kleiner Schalter angetrieben werden, die in einen Chip von der Größe eines Fingernagels gesteckt werden. Und die Wissenschaftler, die sich bemühten, Glasfasern herzustellen, die Licht über ihren Labortisch transportieren könnten, konnten nicht ahnen, dass 10,000 Kilometer Unterwasser-Glasfasern eines Tages Kontinente verbinden würden. Zweidimensionale Materialien können sich in ähnlich unvorhersehbare Richtungen entwickeln. „Eine wirklich neue Materialplattform generiert ihre eigenen Anwendungen, anstatt bestehende Materialien zu verdrängen“, sagte Heinz.
Während sie mich zur Bushaltestelle in Ithaca fuhren, erzählten mir Shan und Mak von einem kürzlichen (und seltenen) Urlaub in Banff, Kanada, wo sie wieder einmal ihr Talent dafür unter Beweis stellten, durch eine Mischung aus Anstrengung und Glück auf Überraschungen zu stoßen. Sie hatten tagelang vergeblich versucht, einen Bären zu entdecken. Dann, am Ende der Reise, auf dem Weg zum Flughafen, hielten sie an, um sich in einem botanischen Reservat die Beine zu vertreten, und standen einem Schwarzbären gegenüber.
In ähnlicher Weise besteht ihr Ansatz bei der Physik der kondensierten Materie darin, gemeinsam in einer neuen Landschaft herumzuwandern und zu sehen, was sich zeigt. „Wir haben nicht viel theoretische Anleitung, aber wir albern einfach herum und spielen mit Experimenten“, sagte Mak. „Es kann schiefgehen, aber manchmal kann man auf etwas sehr Unerwartetes stoßen.“
