Ο μολυβδενίτης, ακόμη και στο εκπαιδευμένο μάτι, μοιάζει σχεδόν πανομοιότυπος με τον γραφίτη - έναν λαμπερό, ασημί κρύσταλλο. Λειτουργεί επίσης με τον ίδιο τρόπο, αφαιρώντας τις νιφάδες με τρόπο που θα έκανε μια καλή γέμιση με μολύβι. Αλλά για ένα ηλεκτρόνιο, τα δύο πλέγματα των ατόμων σχηματίζουν διαφορετικούς κόσμους. Η διάκριση μπήκε για πρώτη φορά στο επιστημονικό αρχείο πριν από 244 χρόνια. Ο Carl Scheele, ένας Σουηδός χημικός γνωστός για την ανακάλυψη του οξυγόνου, βύθισε κάθε ορυκτό σε διάφορα οξέα και παρακολούθησε τα θορυβώδη σύννεφα αερίου που αναβλύζουν. Ο Scheele, ο οποίος τελικά πλήρωσε αυτή την προσέγγιση με τη ζωή του, πεθαίνοντας από ύποπτη δηλητηρίαση από βαρύ μέταλλο στα 43 του, κατέληξε στο συμπέρασμα ότι ο μολυβδενίτης ήταν μια νέα ουσία. Περιγράφοντάς το σε μια επιστολή του προς τη Βασιλική Σουηδική Ακαδημία Επιστημών το 1778, έγραψε: «Δεν αναφέρομαι εδώ στον κοινώς γνωστό γραφίτη που μπορεί κανείς να αποκτήσει από το φαρμακείο. Αυτό το μεταβατικό μέταλλο φαίνεται να είναι άγνωστο».
Με την τάση του να ξεφλουδίζει σε θραύσματα σκόνης, ο μολυβδενίτης έγινε δημοφιλές λιπαντικό τον 20ο αιώνα. Βοήθησε τα σκι να γλιστρήσουν μακρύτερα μέσα στο χιόνι και εξομάλυνσε την έξοδο των σφαιρών από τις κάννες τουφεκιού στο Βιετνάμ.
Σήμερα, αυτή η ίδια φθορά τροφοδοτεί μια επανάσταση στη φυσική.
Οι ανακαλύψεις ξεκίνησαν με τον γραφίτη και την ταινία Scotch. Οι ερευνητές ανακάλυψαν τυχαία το 2004 ότι μπορούσαν να χρησιμοποιήσουν ταινία για να ξεφλουδίσουν νιφάδες γραφίτη πάχους μόνο ενός ατόμου. Αυτά τα κρυσταλλικά φύλλα, το καθένα από μια επίπεδη σειρά ατόμων άνθρακα, είχαν εκπληκτικές ιδιότητες που ήταν ριζικά διαφορετικές από εκείνες των τρισδιάστατων κρυστάλλων από τους οποίους προέρχονταν. Το γραφένιο (όπως το ονόμασαν οι ανακαλύψεις του) ήταν μια εντελώς νέα κατηγορία ουσίας - ένα υλικό 2D. Η ανακάλυψή του μεταμόρφωσε τη φυσική της συμπυκνωμένης ύλης, τον κλάδο της φυσικής που επιδιώκει να κατανοήσει τις πολλές μορφές και συμπεριφορές της ύλης. Σχεδόν το ήμισυ από όλους τους φυσικούς είναι φυσικοί της συμπυκνωμένης ύλης. είναι το υποπεδίο που μας έφερε τσιπ υπολογιστών, λέιζερ, λαμπτήρες LED, μηχανήματα μαγνητικής τομογραφίας, ηλιακούς συλλέκτες και κάθε είδους σύγχρονα τεχνολογικά θαύματα. Μετά την ανακάλυψη του γραφενίου, χιλιάδες φυσικοί της συμπυκνωμένης ύλης άρχισαν να μελετούν το νέο υλικό, ελπίζοντας ότι θα υποστηρίξει τις μελλοντικές τεχνολογίες.
Οι ανακαλύψεις του Graphene έλαβαν το Νόμπελ Φυσικής το 2010. Την ίδια χρονιά, δύο νέοι φυσικοί στο Πανεπιστήμιο Columbia, Τζι Σαν και Κιν Φαί Μακ, είδε σημάδια ότι οι νιφάδες μολυβδενίτη μπορεί να είναι ακόμα πιο μαγικές από το γραφένιο. Το λιγότερο γνωστό ορυκτό έχει ιδιότητες που το καθιστούν δύσκολο στη μελέτη - πολύ σκληρό για πολλά εργαστήρια - αλλά γοήτευσε τους Shan και Mak. Το επίμονο δίδυμο αφιέρωσε σχεδόν μια δεκαετία στη διαμάχη του 2D μολυβδενίτη (ή του δισουλφιδίου του μολυβδαινίου, όπως ονομάζεται η εργαστηριακή έκδοση του κρυστάλλου) και μιας οικογένειας στενά συγγενών 2D κρυστάλλων.
Τώρα η προσπάθειά τους αποδίδει καρπούς. Ο Shan και ο Mak, που είναι τώρα παντρεμένοι και διευθύνουν μια κοινή ερευνητική ομάδα στο Πανεπιστήμιο Cornell, έχουν δείξει ότι οι 2D κρύσταλλοι δισουλφιδίου του μολυβδαινίου και οι συγγενείς του μπορούν να προκαλέσουν μια τεράστια ποικιλία εξωτικών κβαντικών φαινομένων. «Είναι μια τρελή παιδική χαρά», είπε Τζέιμς Χόουν, ερευνητής στην Κολούμπια που προμηθεύει το εργαστήριο Cornell με κρυστάλλους υψηλής ποιότητας. «Μπορείτε να κάνετε όλη τη σύγχρονη φυσική συμπυκνωμένης ύλης σε ένα υλικό σύστημα».
Η ομάδα των Shan και Mak έχει συλλάβει ηλεκτρόνια που συμπεριφέρονται με πρωτοφανή τρόπο σε αυτούς τους επίπεδους κρυστάλλους. Έχουν ωθήσει τα σωματίδια να συγχωνευθούν σε ένα κβαντικό ρευστό και να παγώσουν σε μια ποικιλία δομών που μοιάζουν με πάγο. Έμαθαν να συναρμολογούν πλέγματα από γιγάντια τεχνητά άτομα που τώρα χρησιμεύουν ως κρεβάτια δοκιμών για θεμελιώδεις θεωρίες της ύλης. Από τότε που άνοιξαν το εργαστήριό τους στο Cornell το 2018, οι κύριοι δαμαστές ηλεκτρονίων έχουν δημοσιεύσει οκτώ εντυπωσιακές εργασίες στο Φύση, το πιο διάσημο περιοδικό στην επιστήμη, καθώς και μια σειρά από περαιτέρω εργασίες. Οι θεωρητικοί λένε ότι το ζευγάρι διευρύνει την κατανόηση του τι είναι ικανά πλήθη ηλεκτρονίων.
Η έρευνά τους «είναι βαθιά εντυπωσιακή από πολλές απόψεις», είπε Φίλιπ Κιμ, ένας εξέχων φυσικός συμπυκνωμένης ύλης στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ. «Είναι, θα έλεγα, συγκλονιστικό».
Άνοδος 2D Υλικών
Τα χαρακτηριστικά ενός υλικού αντικατοπτρίζουν γενικά αυτό που κάνουν τα ηλεκτρόνια του. Σε αγωγούς όπως τα μέταλλα, για παράδειγμα, τα ηλεκτρόνια πλέουν μεταξύ ατόμων με ευκολία, μεταφέροντας ηλεκτρισμό. Σε μονωτήρες όπως το ξύλο και το γυαλί, τα ηλεκτρόνια παραμένουν στη θέση τους. Ημιαγωγοί όπως το πυρίτιο εμπίπτουν μεταξύ τους: Τα ηλεκτρόνια τους μπορούν να αναγκαστούν να κινηθούν με εισροή ενέργειας, καθιστώντας τα ιδανικά για την ενεργοποίηση και απενεργοποίηση των ρευμάτων - η δουλειά ενός τρανζίστορ. Τα τελευταία 50 χρόνια, εκτός από αυτές τις τρεις βασικές συμπεριφορές ηλεκτρονίων, οι φυσικοί της συμπυκνωμένης ύλης έχουν δει τα ελαφρά φορτισμένα σωματίδια να συμπεριφέρονται με πολλούς πιο εξωτικούς τρόπους.
Μια από τις πιο δραματικές εκπλήξεις ήρθε το 1986, όταν δύο ερευνητές της IBM, ο Georg Bednorz και ο Alex Müller, εντοπιστεί ένα ρεύμα ηλεκτρονίων που κινείται μέσα από έναν κρύσταλλο οξειδίου του χαλκού ("Cuprate") χωρίς καμία απολύτως αντίσταση. Αυτή η υπεραγωγιμότητα - η ικανότητα του ηλεκτρισμού να ρέει με τέλεια απόδοση - είχε παρατηρηθεί στο παρελθόν, αλλά μόνο για καλά κατανοητούς λόγους σε υλικά που ψύχονται σε μερικούς βαθμούς απόλυτο μηδέν. Αυτή τη φορά, ο Bednorz και ο Müller παρατήρησαν μια μυστηριώδη μορφή του φαινομένου που παρέμεινε σε ένα ρεκόρ 35 Kelvin (δηλαδή 35 μοίρες πάνω από το απόλυτο μηδέν). Σύντομα οι επιστήμονες ανακάλυψαν άλλους χαλκούδες που υπεραγωγούν πάνω από 100 Κέλβιν. Γεννήθηκε ένα όνειρο που παραμένει ίσως ο νούμερο ένα στόχος της φυσικής της συμπυκνωμένης ύλης σήμερα: η εύρεση ή η κατασκευή μιας ουσίας που μπορεί να υπεραγώγει ηλεκτρισμό στον καυτό κόσμο μας, περίπου 300 Kelvin, επιτρέποντας ηλεκτροφόρα καλώδια χωρίς απώλειες, αιωρούμενα οχήματα και άλλες υπερ-αποδοτικές συσκευές που θα μείωνε σημαντικά τις ενεργειακές ανάγκες της ανθρωπότητας.
Το κλειδί για την υπεραγωγιμότητα είναι να ομογενοποιηθούν τα ηλεκτρόνια, τα οποία κανονικά απωθούν το ένα το άλλο, να ζευγαρώσουν και να σχηματίσουν οντότητες γνωστές ως μποζόνια. Τα μποζόνια μπορούν στη συνέχεια να συγχωνευθούν συλλογικά σε ένα κβαντικό ρευστό χωρίς τριβές. Οι ελκτικές δυνάμεις που δημιουργούν μποζόνια, όπως οι ατομικοί κραδασμοί, μπορούν κανονικά να ξεπεράσουν την απώθηση των ηλεκτρονίων μόνο σε κρυογονικές θερμοκρασίες ή υψηλές πιέσεις. Αλλά η ανάγκη για αυτές τις ακραίες συνθήκες έχει εμποδίσει την υπεραγωγιμότητα να βρει το δρόμο της στις καθημερινές συσκευές. Η ανακάλυψη των χαλκού δημιούργησε ελπίδες ότι το σωστό ατομικό πλέγμα θα μπορούσε να «κολλήσει» τα ηλεκτρόνια μεταξύ τους τόσο σταθερά που θα έμεναν κολλημένα ακόμα και σε θερμοκρασία δωματίου.
Συνεχίζοντας 40 χρόνια μετά το εύρημα του Bednorz και του Müller, οι θεωρητικοί εξακολουθούν να μην είναι απολύτως σίγουροι πώς λειτουργεί η κόλλα στα χαλκό, πόσο μάλλον πώς να τροποποιήσουν τα υλικά για να την ενισχύσουν. Έτσι, πολλή έρευνα στη φυσική της συμπυκνωμένης ύλης είναι ένα κυνήγι δοκιμών και λάθους για κρυστάλλους που μπορούν να διατηρήσουν τα ηλεκτρόνια τους σε ζεύγη ή να προκαλέσουν ηλεκτρόνια με άλλους θαυμαστούς τρόπους. «Η συμπυκνωμένη ύλη είναι ένας κλάδος της φυσικής που επιτρέπει τη σύγχυση», είπε η Κιμ. Τέτοια ήταν η ανακάλυψη 2004D υλικών το 2.
Αντρέ Γκέιμ και Κωνσταντίνος Νοβοσέλοφ, δουλεύοντας με γραφίτη στο Πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ στο Ηνωμένο Βασίλειο, ανακάλυψαν μια συγκλονιστική συνέπεια της νιφάδας του υλικού. Ένας κρύσταλλος γραφίτη περιέχει άτομα άνθρακα διατεταγμένα σε χαλαρά συνδεδεμένα φύλλα εξαγώνων. Οι θεωρητικοί είχαν προβλέψει από καιρό ότι χωρίς τη σταθεροποιητική επίδραση της στοίβας, οι δονήσεις που προκαλούνται από τη θερμότητα θα διασπούσαν ένα φύλλο μιας στρώσης. Αλλά ο Geim και ο Novoselov διαπίστωσαν ότι μπορούσαν να ξεκολλήσουν σταθερά, ατομικά λεπτά φύλλα με κάτι περισσότερο από κολλητική ταινία και επιμονή. Το γραφένιο ήταν το πρώτο πραγματικά επίπεδο υλικό - ένα επίπεδο στο οποίο τα ηλεκτρόνια μπορούν να γλιστρήσουν γύρω, αλλά όχι πάνω-κάτω.
Ο Χον, ο φυσικός της Κολούμπια, ανακάλυψε ότι το λεπτότερο υλικό του κόσμου είναι κατά κάποιο τρόπο επίσης το πιο δυνατό. Ήταν μια αξιοσημείωτη ανατροπή για ένα υλικό που οι θεωρητικοί πίστευαν ότι δεν θα κολλούσε καθόλου μαζί.
Αυτό που ενθουσίασε περισσότερο τους φυσικούς σχετικά με το γραφένιο ήταν το πώς η πεδινή περιοχή άνθρακα μεταμόρφωσε τα ηλεκτρόνια: Τίποτα δεν μπορούσε να τα επιβραδύνει. Τα ηλεκτρόνια συχνά σκοντάφτουν από το πλέγμα των ατόμων μέσω του οποίου κινούνται, δρώντας βαρύτερα από τη μάζα του σχολικού βιβλίου τους (τα ακίνητα ηλεκτρόνια ενός μονωτή λειτουργούν σαν να έχουν άπειρη μάζα). Το επίπεδο πλέγμα του γραφενίου, ωστόσο, αφήνει τα ηλεκτρόνια να κινούνται γύρω με ένα εκατομμύριο μέτρα ανά δευτερόλεπτο - μόνο μερικές εκατοντάδες φορές πιο αργά από την ταχύτητα του φωτός. Σε αυτή τη σταθερή ταχύτητα, τα ηλεκτρόνια πέταξαν σαν να μην είχαν καθόλου μάζα, ευλογώντας το γραφένιο με εξαιρετική (αν και όχι σούπερ) αγωγιμότητα.
Ένα ολόκληρο χωράφι ξεπήδησε γύρω από το θαυματουργό υλικό. Οι ερευνητές άρχισαν επίσης να σκέφτονται ευρύτερα. Θα μπορούσαν οι 2D νιφάδες άλλων ουσιών να φιλοξενούν τις δικές τους υπερδυνάμεις; Ο Χόνε ήταν μεταξύ αυτών που διακλαδίστηκαν. Το 2009, μέτρησε ορισμένες μηχανικές ιδιότητες του doppelgänger του γραφίτη, το δισουλφίδιο του μολυβδαινίου, και στη συνέχεια έδωσε τον κρύσταλλο σε δύο ειδικούς οπτικών στο εργαστήριο Columbia του Tony Heinz. Ήταν μια περιστασιακή κίνηση που θα άλλαζε την καριέρα όλων των εμπλεκομένων.
Το δείγμα δισουλφιδίου του μολυβδαινίου προσγειώθηκε στα χέρια της Jie Shan, επισκέπτριας καθηγήτριας στην αρχή της καριέρας της, και του Kin Fai Mak, μεταπτυχιακού φοιτητή. Το νεαρό δίδυμο μελετούσε πώς το γραφένιο αλληλεπιδρά με το φως, αλλά είχαν ήδη αρχίσει να ονειρεύονται άλλα υλικά. Τα γρήγορα ηλεκτρόνια του γραφενίου το καθιστούν έναν φανταστικό αγωγό, αλλά αυτό που ήθελαν ήταν ένας ημιαγωγός 2D - ένα υλικό του οποίου η ροή ηλεκτρονίων θα μπορούσαν να ενεργοποιήσουν και να απενεργοποιήσουν, και το οποίο θα μπορούσε επομένως να χρησιμεύσει ως τρανζίστορ.
Το δισουλφίδιο του μολυβδαινίου ήταν γνωστό ότι είναι ημιαγωγός. Και ο Shan και ο Mak ανακάλυψαν σύντομα ότι, όπως ο γραφίτης, απέκτησε πρόσθετες δυνάμεις στο 2D. Όταν έστρεψαν ένα λέιζερ σε τρισδιάστατους κρυστάλλους «moly disulfide» (όπως το αποκαλούν με αγάπη), οι κρύσταλλοι παρέμειναν σκούροι. Αλλά όταν ο Shan και ο Mak άρπαξαν στρώματα με ταινία Scotch, τα χτύπησαν με λέιζερ και τα εξέτασαν κάτω από ένα μικροσκόπιο, είδαν τα φύλλα 3D να λάμπουν έντονα.
Έρευνα από άλλες ομάδες θα επιβεβαίωνε αργότερα ότι τα καλά κατασκευασμένα φύλλα ενός στενά συγγενούς υλικού αντανακλούν κάθε τελευταίο φωτόνιο που τα χτυπά. «Αυτό είναι κάπως συγκλονιστικό», είπε πρόσφατα ο Μακ, όταν συνάντησα αυτόν και τη Σαν στο κοινό γραφείο τους στο Κορνέλ. «Έχετε απλώς ένα μόνο φύλλο ατόμων και μπορεί να αντανακλά το 100% του φωτός σαν ένας τέλειος καθρέφτης». Συνειδητοποίησαν ότι αυτή η ιδιότητα μπορεί να οδηγήσει σε εντυπωσιακές οπτικές συσκευές.
Ανεξάρτητα, Φενγκ Γουάνγκ, ένας φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϋ, έκανε την ίδια ανακάλυψη. Ένα 2D υλικό που ήταν ιδιαίτερα ανακλαστικό και ένας ημιαγωγός για την εκκίνηση τράβηξε την προσοχή της κοινότητας. Και τα δύο ομάδες δημοσίευσαν τα ευρήματά τους το 2010· Οι εργασίες έχουν λάβει από τότε περισσότερες από 16,000 αναφορές μεταξύ τους. «Όλοι με λέιζερ άρχισαν να ενδιαφέρονται πολύ για τα δισδιάστατα υλικά», είπε ο Χόουν.
Αναγνωρίζοντας το δισουλφίδιο του μολυίου ως ένα δεύτερο θαυματουργό υλικό 2D, οι δύο ομάδες είχαν φτάσει στην ξηρά σε μια ολόκληρη ήπειρο δισδιάστατων υλικών. Το δισουλφίδιο του μολυβίου ανήκει σε μια οικογένεια ουσιών γνωστών ως διχαλκογονίδια μετάλλων μεταπτώσεως (TMDs), στην οποία άτομα από τη μεταλλική μεσαία περιοχή του περιοδικού πίνακα, όπως το μολυβδαίνιο, συνδέονται με ζεύγη χημικών ενώσεων γνωστών ως χαλκογονίδια, όπως το θείο. Το δισουλφίδιο moly είναι το μόνο φυσικώς απαντώμενο TMD, αλλά υπάρχουν δεκάδες ακόμη που οι ερευνητές μπορούν να μαστιγώσουν σε εργαστήρια - δισουλφίδιο βολφραμίου, διτελλουρίδιο μολυβδαινίου και ούτω καθεξής. Τα περισσότερα σχηματίζουν φύλλα ασθενώς δεμένα, καθιστώντας τα ευαίσθητα στην επιχειρηματική πλευρά ενός κομματιού ταινίας.
Το αρχικό κύμα ενθουσιασμού σύντομα υποχώρησε, ωστόσο, καθώς οι ερευνητές προσπαθούσαν να κάνουν τα TMD να κάνουν περισσότερα από τη λάμψη. Η ομάδα του Wang, για ένα, έπεσε πίσω στο γραφένιο αφού διαπίστωσε ότι δεν μπορούσαν εύκολα να συνδέσουν μεταλλικά ηλεκτρόδια στο δισουλφίδιο του μολυίου. «Αυτό ήταν το εμπόδιο για την ομάδα μας εδώ και αρκετά χρόνια», είπε. «Ακόμα και τώρα δεν είμαστε πολύ καλοί στο να κάνουμε επαφή». Φαινόταν ότι το κύριο πλεονέκτημα των TMD έναντι του γραφενίου ήταν και η μεγαλύτερη αδυναμία τους: Για να μελετήσουν τις ηλεκτρονικές ιδιότητες ενός υλικού, οι ερευνητές πρέπει συχνά να σπρώχνουν ηλεκτρόνια σε αυτό και να μετρούν την αντίσταση του ρεύματος που προκύπτει. Επειδή όμως οι ημιαγωγοί είναι κακοί αγωγοί, είναι δύσκολο να μπουν ή να βγουν ηλεκτρόνια.
Ο Μακ και ο Σαν αρχικά ένιωθαν αμφίθυμοι. «Ήταν πραγματικά ασαφές αν έπρεπε να συνεχίσουμε να εργαζόμαστε πάνω στο γραφένιο ή να αρχίσουμε να εργαζόμαστε σε αυτό το νέο υλικό», είπε ο Μακ. «Αλλά αφού διαπιστώσαμε ότι έχει αυτή την ωραία ιδιότητα, συνεχίσαμε να κάνουμε μερικά ακόμα πειράματα».
Καθώς εργάζονταν, οι δύο ερευνητές γοητεύονταν όλο και περισσότερο από το δισουλφίδιο της μολυίου και ο ένας από τον άλλον. Αρχικά, η επαφή τους ήταν επαγγελματική, περιοριζόμενη σε μεγάλο βαθμό σε email που εστιάζονταν στην έρευνα. «Η Φάι ρωτούσε συχνά, «Πού είναι αυτό το κομμάτι του εξοπλισμού; Πού το έβαλες;» είπε η Σαν. Αλλά τελικά η σχέση τους, που επωάστηκε από πολλές ώρες και καταλύθηκε από πειραματική επιτυχία, έγινε ρομαντική. «Απλώς βλέπαμε ο ένας τον άλλον πολύ συχνά, κυριολεκτικά στο ίδιο εργαστήριο να δουλεύουμε στο ίδιο έργο», είπε ο Μακ. «Το έργο που λειτούργησε πολύ καλά μας έκανε επίσης χαρούμενους».
Όλη η Φυσική όλη την ώρα
Θα χρειαζόταν μια συνεργασία μεταξύ δύο αφοσιωμένων φυσικών με σιδερένια πειθαρχία για να αποκατασταθούν τα ενοχλητικά TMD.
Οι ακαδημαϊκοί έρχονταν πάντα εύκολα στο Shan. Μεγαλωμένη τη δεκαετία του 1970 στην παράκτια επαρχία Zhejiang, ήταν μια σταρ μαθήτρια, διακρίθηκε στα μαθηματικά, τις επιστήμες και τη γλώσσα και κέρδισε μια πολυπόθητη θέση στο Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας της Κίνας στο Hefei. Εκεί, προκρίθηκε για ένα επιλεκτικό πρόγραμμα πολιτιστικών ανταλλαγών μεταξύ της Κίνας και της Σοβιετικής Ένωσης και άδραξε την ευκαιρία να σπουδάσει ρωσικά και φυσική στο Κρατικό Πανεπιστήμιο της Μόσχας. «Όταν είσαι έφηβος, είσαι πρόθυμος να εξερευνήσεις τον κόσμο», είπε. «Δεν δίστασα».
Αμέσως, είδε περισσότερα από τον κόσμο από όσα είχε παζαρέψει. Τα προβλήματα με τις βίζες καθυστέρησαν την άφιξή της στη Ρωσία κατά μερικούς μήνες και έχασε τη θέση της στο γλωσσικό πρόγραμμα. Οι αρχές της βρήκαν άλλη πορεία και λίγο μετά την προσγείωση στη Μόσχα επιβιβάστηκε σε τρένο και ταξίδεψε 5,000 χιλιόμετρα ανατολικά. Τρεις μέρες αργότερα έφτασε στην πόλη Ιρκούτσκ στη μέση της Σιβηρίας στην αρχή του χειμώνα. «Η συμβουλή που έλαβα ήταν «Ποτέ μα ποτέ μην αγγίζεις τίποτα χωρίς γάντια», μήπως κολλήσει, είπε.
Η Shan κράτησε τα γάντια της, έμαθε ρωσικά σε ένα μόνο εξάμηνο και άρχισε να εκτιμά την έντονη ομορφιά του χειμωνιάτικου τοπίου. Όταν η πορεία τελείωσε και το χιόνι έλιωσε, επέστρεψε στην πρωτεύουσα για να ξεκινήσει το πτυχίο της στη φυσική, φτάνοντας στη Μόσχα την άνοιξη του 1990, εν μέσω της διάλυσης της Σοβιετικής Ένωσης.
Ήταν χαοτικά χρόνια. Ο Σαν είδε τανκς να κυλιούνται στους δρόμους κοντά στο πανεπιστήμιο καθώς οι κομμουνιστές προσπαθούσαν να ανακτήσουν τον έλεγχο της κυβέρνησης. Σε άλλη περίπτωση, αμέσως μετά τις τελικές εξετάσεις, ξέσπασαν καυγάδες. «Μπορούσαμε να ακούσουμε πυροβολισμούς και μας είπαν να σβήσουμε τα φώτα στον κοιτώνα», είπε. Τα πάντα, από το φαγητό μέχρι το χαρτί υγείας, διανεμήθηκαν μέσω ενός συστήματος κουπονιών. Ωστόσο, η Shan ένιωσε να εμπνέεται από την ανθεκτικότητα των καθηγητών της, οι οποίοι συνέχισαν την έρευνά τους παρά την αναταραχή. «Οι συνθήκες ήταν δύσκολες, αλλά πολλοί από τους επιστήμονες είχαν μια τέτοια στάση. Αγαπούν πραγματικά αυτό που κάνουν, παρά το τι συμβαίνει», είπε.
Καθώς η παγκόσμια τάξη κατέρρευσε, η Shan ξεχώρισε, δημοσιεύοντας ένα θεωρητικό έγγραφο οπτικών που τράβηξε το βλέμμα του Heinz στην Κολούμπια. Την ενθάρρυνε να κάνει αίτηση και εκείνη μετακόμισε στη Νέα Υόρκη, όπου περιστασιακά βοηθούσε άλλους διεθνείς φοιτητές να βρουν τα πόδια τους σε μια ξένη χώρα. Προσέλαβε τον Wang για να εργαστεί στο εργαστήριο του Heinz, για παράδειγμα, και μοιράστηκε πειραματικές συμβουλές. «Μου έμαθε πώς να είμαι υπομονετικός», είπε, και «πώς να μην απογοητεύομαι με το λέιζερ».
Οι περισσότεροι ερευνητές παίρνουν μια μεταδιδακτορική θέση μετά την απόκτηση του διδακτορικού τους, αλλά η Shan εντάχθηκε στο Πανεπιστήμιο Case Western Reserve απευθείας ως αναπληρώτρια καθηγήτρια το 2001. Αρκετά χρόνια αργότερα, σε ένα σάββατο, επέστρεψε στο εργαστήριο του Heinz στην Κολούμπια. Για μια φορά, ο συγχρονισμός της ήταν τυχαίος. Άρχισε να συνεργάζεται με μια γοητευτική και λαμπερή φοιτήτρια στο γκρουπ του Heinz, την Kin Fai Mak.
Ο Μακ είχε ακολουθήσει μια διαφορετική, λιγότερο ταραχώδη πορεία προς τη Νέα Υόρκη. Μεγαλώνοντας στο Χονγκ Κονγκ, δυσκολεύτηκε στο σχολείο, καθώς ελάχιστα εκτός από τη φυσική του έκαναν νόημα. «Ήταν το μόνο πράγμα που μου αρέσει και στο οποίο ήμουν πραγματικά καλός, οπότε επέλεξα τη φυσική», είπε.
Η προπτυχιακή του έρευνα στο Πανεπιστήμιο του Χονγκ Κονγκ ξεχώρισε και ο Heinz τον στρατολόγησε για να συμμετάσχει στο ακμάζον πρόγραμμα φυσικής συμπυκνωμένης ύλης της Κολούμπια. Εκεί, στράφηκε στην έρευνα, περνώντας σχεδόν όλες τις ώρες που ήταν ξύπνιος στο εργαστήριο εκτός από το περιστασιακό παιχνίδι ενδοσχολικού ποδοσφαίρου. Η Andrea Young, συμφοιτήτρια (τώρα επίκουρος καθηγητής στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Santa Barbara), μοιραζόταν ένα διαμέρισμα με τον Mak στη West 113th Street. «Ήμουν τυχερός αν μπορούσα να τον πιάσω στις 2 η ώρα το πρωί για να μαγειρέψει μερικά ζυμαρικά και να μιλήσει για τη φυσική. Ήταν όλη η φυσική όλη την ώρα», είπε ο Γιανγκ.
Όμως οι καλές στιγμές δεν κράτησαν. Λίγο μετά από μια εκδρομή στο τροπικό δάσος του Αμαζονίου στην Κολομβία με τον Young, ο Mak αρρώστησε. Οι γιατροί του δεν ήταν σίγουροι τι να κάνουν με τα αινιγματικά αποτελέσματα των εξετάσεών του και αρρώστησε περισσότερο. Μια τυχερή σύμπτωση του έσωσε τη ζωή. Ο Young περιέγραψε την κατάσταση στον πατέρα του, έναν ιατρικό ερευνητή, ο οποίος αναγνώρισε αμέσως τα σημάδια της απλαστικής αναιμίας - μια ασυνήθιστη πάθηση του αίματος που έτυχε να είναι το αντικείμενο της δικής του έρευνας. «Είναι πραγματικά σπάνιο να πάθεις αυτή την ασθένεια, πρώτα απ' όλα», είπε ο Μακ. «Και ακόμη πιο σπάνιο να πάθεις μια ασθένεια στην οποία ο πατέρας του συγκάτοικού σου είναι ειδικός».
Ο πατέρας του Young βοήθησε τον Mak να εγγραφεί σε πειραματικές θεραπείες. Πέρασε μεγάλο μέρος του τελευταίου έτους του μεταπτυχιακού στο νοσοκομείο και έφτασε κοντά στον θάνατο αρκετές φορές. Καθ' όλη τη διάρκεια της δοκιμασίας, η λατρεία του Μακ για τη φυσική τον ώθησε να συνεχίσει να εργάζεται. «Έγραφε ORP γράμματα από το κρεβάτι του στο νοσοκομείο», είπε ο Γιανγκ, αναφερόμενος στο περιοδικό Επιστολές Φυσικής Επισκόπησης. "Παρ' όλα αυτά, ήταν ένας από τους πιο παραγωγικούς μαθητές όλων των εποχών", είπε ο Heinz. «Ήταν κάτι σαν θαύμα».
Περαιτέρω θεραπείες βοήθησαν τελικά τον Mak να αναρρώσει πλήρως. Ο Young, ο ίδιος γνωστός πειραματιστής, θα πει αργότερα για τις παρεμβάσεις του: «Μεταξύ φίλων το αποκαλώ τη μεγαλύτερη συνεισφορά μου στη φυσική».
Στην 2D Wilderness
Ο Mak μετακόμισε στο Cornell ως μεταδιδακτορικός ερευνητής το 2012, οπότε ο Shan είχε ήδη επιστρέψει στο Case Western. Ακολούθησαν μεμονωμένα έργα με γραφένιο και άλλα υλικά, αλλά συνέχισαν επίσης να ξεκλειδώνουν μαζί περαιτέρω μυστικά των TMD.
Στο Cornell, ο Mak έμαθε την τέχνη των μετρήσεων μεταφοράς ηλεκτρονίων - τον άλλο κύριο τρόπο να μαντεύει την κίνηση των ηλεκτρονίων, εκτός από την οπτική. Αυτή η τεχνογνωσία έκανε αυτόν και τον Shan διπλή απειλή σε έναν τομέα όπου οι ερευνητές συνήθως ειδικεύονται στον ένα ή τον άλλο τύπο. «Όποτε συναντώ τη Φάι και την Τζι παραπονιέμαι: «Είναι άδικο να κάνετε μεταφορές», είπε η Κιμ. "Τι πρέπει να κάνω?"
Όσο περισσότερο το δίδυμο μάθαινε για τα TMD, τόσο πιο ενδιαφέρον γινόταν. Οι ερευνητές εστιάζουν συνήθως σε μία από τις δύο ιδιότητες των ηλεκτρονίων: το φορτίο και το σπιν τους (ή την εγγενή γωνιακή ορμή). Ο έλεγχος της ροής του ηλεκτρικού φορτίου είναι το θεμέλιο της σύγχρονης ηλεκτρονικής. Και η ανατροπή του σπιν των ηλεκτρονίων θα μπορούσε να οδηγήσει σε συσκευές «σπιντρονικής» που συσκευάζουν περισσότερες πληροφορίες σε μικρότερους χώρους. το 2014, Ο Μακ βοήθησε στην ανακάλυψη ότι τα ηλεκτρόνια στο 2D moly disulfide μπορούν να αποκτήσουν μια ειδική, τρίτη ιδιότητα: Αυτά τα ηλεκτρόνια πρέπει να κινούνται με συγκεκριμένες ποσότητες ορμής, ένα ελεγχόμενο χαρακτηριστικό γνωστό ως "κοιλάδα" που οι ερευνητές εικάζουν ότι μπορεί να δημιουργήσει ένα τρίτο πεδίο της τεχνολογίας "valleytronics".
Την ίδια χρονιά, ο Mak και ο Shan εντόπισαν ένα άλλο εντυπωσιακό χαρακτηριστικό των TMD. Τα ηλεκτρόνια δεν είναι οι μόνες οντότητες που κινούνται μέσα από έναν κρύσταλλο. Οι φυσικοί παρακολουθούν επίσης «τρύπες», τις κενές θέσεις που δημιουργούνται όταν τα ηλεκτρόνια πηδούν αλλού. Αυτές οι τρύπες μπορούν να περιπλανηθούν σε ένα υλικό όπως τα πραγματικά θετικά φορτισμένα σωματίδια. Η θετική οπή έλκει ένα αρνητικό ηλεκτρόνιο για να σχηματίσει μια φευγαλέα συνεργασία, γνωστή ως εξίτον, τη στιγμή πριν το ηλεκτρόνιο κλείσει την οπή. Σαν και Μακ μέτρησε την έλξη μεταξύ ηλεκτρονίων και οπών στο 2D diselenide βολφραμίου και το βρήκε εκατοντάδες φορές ισχυρότερο από ό,τι σε έναν τυπικό τρισδιάστατο ημιαγωγό. Το εύρημα άφησε να εννοηθεί ότι τα εξιόνια στα TMD θα μπορούσαν να είναι ιδιαίτερα ισχυρά και ότι γενικά τα ηλεκτρόνια ήταν πιο πιθανό να κάνουν κάθε είδους παράξενα πράγματα.
Το ζευγάρι εξασφάλισε μαζί θέσεις στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνια και ξεκίνησε ένα εργαστήριο εκεί. Τελικά πεπεισμένοι ότι τα TMD άξιζε να στοιχηματίσουν την καριέρα τους, έκαναν τα υλικά στο επίκεντρο της νέας τους ομάδας. Παντρεύτηκαν και αυτοί.
Εν τω μεταξύ, η ομάδα του Hone στην Κολούμπια είδε τις ιδιότητες του γραφενίου να γίνονται ακόμη πιο ακραίες όταν το τοποθέτησαν πάνω από έναν υψηλής ποιότητας μονωτή, το νιτρίδιο του βορίου. Ήταν ένα πρώιμο παράδειγμα μιας από τις πιο καινοτόμες πτυχές των υλικών 2D: τη στοίβαξή τους.
Βάλτε ένα υλικό 2D πάνω στο άλλο και τα στρώματα θα απέχουν ένα κλάσμα νανομέτρου μεταξύ τους - χωρίς καμία απόσταση από την οπτική γωνία των ηλεκτρονίων τους. Ως αποτέλεσμα, τα στοιβαγμένα φύλλα συγχωνεύονται αποτελεσματικά σε μια ουσία. «Δεν είναι μόνο δύο υλικά μαζί», είπε ο Wang. «Δημιουργείς πραγματικά ένα νέο υλικό».
Ενώ το γραφένιο αποτελείται αποκλειστικά από άτομα άνθρακα, η ποικιλόμορφη οικογένεια δικτυωμάτων TMD φέρνει δεκάδες πρόσθετα στοιχεία στο παιχνίδι στοίβαξης. Κάθε TMD έχει τις δικές του εγγενείς ικανότητες. Μερικά είναι μαγνητικά. άλλοι υπεραγωγοί. Οι ερευνητές ανυπομονούσαν να τα συνδυάσουν και να τα ταιριάξουν με υλικά μόδας με τις συνδυασμένες δυνάμεις τους.
Αλλά όταν η ομάδα του Χόουν τοποθέτησε δισουλφίδιο του μολυίου σε έναν μονωτήρα, οι ιδιότητες της στοίβας έδειξαν ασήμαντα κέρδη σε σύγκριση με αυτά που είχαν δει στο γραφένιο. Τελικά κατάλαβαν ότι δεν είχαν ελέγξει την ποιότητα των κρυστάλλων TMD. Όταν έβαλαν μερικούς συναδέλφους να κολλήσουν το δισουλφίδιο του μολυβίου τους κάτω από ένα μικροσκόπιο ικανό να αναλύει μεμονωμένα άτομα, έμειναν έκπληκτοι. Μερικά άτομα κάθονταν σε λάθος μέρος, ενώ άλλα είχαν εξαφανιστεί εντελώς. Έως και 1 στις 100 θέσεις πλέγματος είχε κάποιο πρόβλημα, εμποδίζοντας την ικανότητα του πλέγματος να κατευθύνει ηλεκτρόνια. Το γραφένιο, σε σύγκριση, ήταν η εικόνα της τελειότητας, με περίπου ένα ελάττωμα ανά εκατομμύριο άτομα. «Επιτέλους συνειδητοποιήσαμε ότι τα πράγματα που αγοράζαμε ήταν σκουπίδια», είπε ο Χόουν.
Γύρω στο 2016, αποφάσισε να ασχοληθεί με την ανάπτυξη των TMD ερευνητικού επιπέδου. Προσέλαβε μεταδιδάκτορα, Daniel Rhodes, με εμπειρία στην καλλιέργεια κρυστάλλων λιώνοντας σκόνες πρώτων υλών σε εξαιρετικά υψηλές θερμοκρασίες και στη συνέχεια ψύχοντάς τους με παγετώδη ρυθμό. «Είναι σαν να μεγαλώνεις ζαχαρωτά από ζάχαρη σε νερό», εξήγησε ο Χόουν. Η νέα διαδικασία κράτησε ένα μήνα, σε σύγκριση με λίγες ημέρες για τις εμπορικές μεθόδους. Παρήγαγε όμως κρυστάλλους TMD εκατοντάδες έως χιλιάδες φορές καλύτερους από αυτούς που πωλούνται σε χημικούς καταλόγους.
Προτού ο Shan και ο Mak προλάβουν να επωφεληθούν από τους ολοένα και πιο παρθένους κρυστάλλους του Hone, αντιμετώπισαν το απίθανο έργο να βρουν πώς να δουλέψουν με μικροσκοπικές νιφάδες που δεν τους αρέσει να δέχονται ηλεκτρόνια. Για την άντληση ηλεκτρονίων (τη βάση της τεχνικής μεταφοράς που είχε πάρει ο Mak ως μεταδιδάκτορας), το ζευγάρι είχε εμμονή με αμέτρητες λεπτομέρειες: ποιον τύπο μετάλλου να χρησιμοποιήσει για το ηλεκτρόδιο, πόσο μακριά από το TMD να το τοποθετήσει, ακόμη και ποιες χημικές ουσίες χρησιμοποιήστε για τον καθαρισμό των επαφών. Η δοκιμή των ατελείωτων τρόπων εγκατάστασης ηλεκτροδίων ήταν αργή και επίπονη - «μια χρονοβόρα διαδικασία για να τελειοποιήσεις αυτό ή να τελειοποιήσεις λίγο-λίγο», είπε ο Mak.
Πέρασαν επίσης χρόνια για να ανακαλύψουν πώς να σηκώσουν και να στοιβάσουν τις μικροσκοπικές νιφάδες, οι οποίες έχουν διάμετρο μόλις δέκατα εκατομμυριοστά του μέτρου. Με αυτή την ικανότητα, συν τους κρυστάλλους του Hone και τις βελτιωμένες ηλεκτρικές επαφές, όλα συνήλθαν το 2018. Το ζευγάρι μετακόμισε στην Ιθάκη της Νέας Υόρκης για να πάρει νέες θέσεις στο Cornell και ένας καταρράκτης πρωτοποριακών αποτελεσμάτων ξεχύθηκε από το εργαστήριό του.
Σημαντικές ανακαλύψεις στο Cornell
«Σήμερα, όλα είναι δύσκολο να τα μαζέψεις για κάποιο λόγο», είπε ο Zhengchao Xia, ένας μεταπτυχιακός φοιτητής στην ομάδα των Mak and Shan, καθώς η σκοτεινή σιλουέτα μιας νιτριδίου του βορίου απειλούσε να αποκολληθεί και να πέσει πίσω στην επιφάνεια του πυριτίου από κάτω. Το φύλλο σε σχήμα Μαδαγασκάρης προσκολλήθηκε αδύναμα σε ένα κομμάτι γραφίτη που έμοιαζε με τη Σαουδική Αραβία, όπως το χαρτί θα μπορούσε να κολλήσει στην επιφάνεια που τσακίζει ένα πρόσφατα τριμμένο μπαλόνι. Ο γραφίτης, με τη σειρά του, ήταν κολλημένος σε μια σταγόνα δροσοσταλίδας από πλαστικό κολλημένο σε μια γυάλινη τσουλήθρα. Η Xia χρησιμοποίησε μια διεπαφή υπολογιστή για να κατευθύνει μια μηχανοκίνητη βάση που κρατούσε τη διαφάνεια. Όπως ένας παίκτης στο arcade θα μπορούσε να κάνει ελιγμούς με ένα μηχάνημα με νύχια με ένα joystick, σήκωσε τη στοίβα στον αέρα με ρυθμό ένα πέμπτο του εκατομμυριοστού του μέτρου ανά κλικ του ποντικιού, κοιτάζοντας επίμονα την οθόνη του υπολογιστή για να δει αν είχε έπιασε με επιτυχία τη νιτρίδα του βορίου.
Αυτή είχε. Με μερικά ακόμη κλικ, η στοίβα δύο στρωμάτων απελευθερώθηκε και η Xia κινήθηκε γρήγορα αλλά σκόπιμα για να εναποθέσει τις νιφάδες σε ένα τρίτο υλικό ενσωματωμένο με εκτεταμένα μεταλλικά ηλεκτρόδια. Με μερικά ακόμη κλικ θέρμανε την επιφάνεια, λιώνοντας την πλαστική κόλλα της αντικειμενοφόρου πλάκας πριν προλάβει κάποιος από εμάς να φτερνιστεί μακριά τη μικροσκοπική συσκευή.
«Πάντα έχω αυτόν τον εφιάλτη ότι απλώς εξαφανίζεται», είπε.
Από την αρχή μέχρι το τέλος, η Xia χρειάστηκε περισσότερο από μία ώρα για να συναρμολογήσει το κάτω μισό μιας απλής συσκευής - το ισοδύναμο ενός PB&J με ανοιχτό πρόσωπο. Μου έδειξε μια άλλη στοίβα που είχε φτιάξει πρόσφατα και κροτάλισε μερικά από τα συστατικά, τα οποία περιελάμβαναν το TMD diselenide βολφραμίου και moly ditelluride. Ένα από τα δεκάδες μικροσκοπικά σάντουιτς που έχει κατασκευάσει και μελετήσει τον τελευταίο χρόνο, αυτό το Dagwood μιας συσκευής είχε 10 επιβλητικά στρώματα και χρειάστηκε αρκετές ώρες για να συναρμολογηθεί.
Αυτή η στοίβαξη δισδιάστατων υλικών, η οποία γίνεται επίσης σε εργαστήρια στην Κολούμπια, στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης, στο Μπέρκλεϋ, στο Χάρβαρντ και σε άλλα ιδρύματα, αντιπροσωπεύει την πραγματοποίηση ενός μακροχρόνιου ονείρου των φυσικών της συμπυκνωμένης ύλης. Οι ερευνητές δεν περιορίζονται πλέον σε υλικά που βρίσκονται στο έδαφος ή αναπτύσσονται αργά σε εργαστήριο. Τώρα μπορούν να παίξουν με το ατομικό ισοδύναμο των τούβλων Lego, κουμπώνοντας μεταξύ τους φύλλα για να χτίσουν κατά παραγγελία κατασκευές με τις επιθυμητές ιδιότητες. Όσον αφορά τη συναρμολόγηση δομών TMD, λίγοι έχουν φτάσει τόσο μακριά όσο ο όμιλος Cornell.
Η πρώτη σημαντική ανακάλυψη του Mak και του Shan στο Cornell αφορούσε τα εξιτόνια, τα έντονα συνδεδεμένα ζεύγη ηλεκτρονίων-οπών που είχαν δει στα TMD το 2014. Τα Excitons ιντριγκάρουν τους φυσικούς επειδή αυτά «οιονεί σωματίδια» μπορεί να προσφέρει έναν κυκλικό τρόπο για την επίτευξη ενός διαχρονικού στόχου της φυσικής της συμπυκνωμένης ύλης: την υπεραγωγιμότητα σε θερμοκρασία δωματίου.
Τα εξιτόνια παίζουν με τους ίδιους funky κανόνες όπως τα ζεύγη ηλεκτρονίων-ηλεκτρονίων. Αυτά τα ζεύγη ηλεκτρονίων-οπών, επίσης, γίνονται μποζόνια, γεγονός που τους επιτρέπει να «συμπυκνωθούν» σε μια κοινή κβαντική κατάσταση γνωστή ως συμπύκνωμα Bose-Einstein. Αυτή η συνεκτική ορδή οιονεί σωματιδίων μπορεί να εμφανίσει κβαντικά χαρακτηριστικά όπως η υπερρευστότητα, η ικανότητα να ρέει χωρίς αντίσταση. (Όταν ένα υπερρευστό μεταφέρει ηλεκτρικό ρεύμα, υπεραγωγεί.)
Αλλά σε αντίθεση με τα απωθητικά ηλεκτρόνια, τα ηλεκτρόνια και οι τρύπες αγαπούν να συζευχθούν. Οι ερευνητές λένε ότι αυτό δυνητικά κάνει την κόλλα τους πιο δυνατή. Οι προκλήσεις για την υπεραγωγιμότητα που βασίζεται σε εξιτόνια έγκεινται στο να εμποδίζει το ηλεκτρόνιο να γεμίσει την οπή και να κάνει τα ηλεκτρικά ουδέτερα ζεύγη να ρέουν σε ρεύμα - όλα σε όσο το δυνατόν πιο ζεστό δωμάτιο. Μέχρι στιγμής, ο Mak και η Shan έχουν λύσει το πρώτο πρόβλημα και έχουν ένα σχέδιο να αντιμετωπίσουν το δεύτερο.
Τα σύννεφα ατόμων μπορούν να παρασυρθούν για να σχηματίσουν συμπυκνώματα ψύχοντάς τα σε τρίχα πάνω από το απόλυτο μηδέν με ισχυρά λέιζερ. Αλλά οι θεωρητικοί υποψιάζονταν από καιρό ότι θα μπορούσαν να σχηματιστούν συμπυκνώματα εξιτονίων σε υψηλότερες θερμοκρασίες. Ο όμιλος Cornell έκανε αυτή την ιδέα πραγματικότητα με τα στοιβαζόμενα TMD. Χρησιμοποιώντας ένα σάντουιτς δύο στρωμάτων, έβαλαν επιπλέον ηλεκτρόνια στο επάνω στρώμα και αφαίρεσαν ηλεκτρόνια από το κάτω μέρος, αφήνοντας τρύπες. Τα ηλεκτρόνια και οι τρύπες συζεύχθηκαν, δημιουργώντας εξιτόνια που έχουν μεγάλη διάρκεια ζωής, επειδή τα ηλεκτρόνια δυσκολεύονται να πηδήξουν στο αντίθετο στρώμα για να εξουδετερώσουν τους συντρόφους τους. Τον Οκτώβριο του 2019, η ομάδα αναφερόμενα σημάδια ενός συμπυκνώματος εξιτονίου σε γαλήνιο 100 Κέλβιν. Σε αυτή τη διάταξη, τα εξιτόνια παρέμειναν για δεκάδες νανοδευτερόλεπτα, μια ζωή για αυτόν τον τύπο οιονείσωματιδίου. Το φθινόπωρο του 2021, η ομάδα περιέγραψε μια βελτιωμένη συσκευή όπου τα εξιτόνια φαίνεται να διαρκούν για χιλιοστά του δευτερολέπτου, την οποία ο Μακ αποκάλεσε «πρακτικά για πάντα».
Η ομάδα τώρα επιδιώκει ένα σχέδιο επινοήθηκε από θεωρητικούς το 2008 για τη δημιουργία ρεύματος εξιτονίου. Άλαν ΜακΝτόναλντ, ένας εξέχων θεωρητικός της συμπυκνωμένης ύλης στο Πανεπιστήμιο του Τέξας στο Ώστιν και ο απόφοιτος φοιτητής του Jung-Jung Su πρότειναν να ρέουν ουδέτερα εξιόνια εφαρμόζοντας ένα ηλεκτρικό πεδίο προσανατολισμένο με τρόπο που ενθαρρύνει τόσο τα ηλεκτρόνια όσο και τις τρύπες να κινούνται προς την ίδια κατεύθυνση. Για να το πετύχει στο εργαστήριο, η ομάδα Cornell πρέπει για άλλη μια φορά να αντιμετωπίσει τον αιώνιο εχθρό τους, τις ηλεκτρικές επαφές. Σε αυτή την περίπτωση, πρέπει να συνδέσουν πολλαπλά σετ ηλεκτροδίων στα στρώματα TMD, μερικά για την κατασκευή των εξιτονίων και άλλα για τη μετακίνησή τους.
Ο Shan και ο Mak πιστεύουν ότι βρίσκονται σε καλό δρόμο για να φέρουν εξιτόν σε ροή έως και 100 Kelvin σύντομα. Αυτό είναι ένα παγωμένο δωμάτιο για ένα άτομο (−173 βαθμοί Κελσίου ή −280 βαθμοί Φαρενάιτ), αλλά είναι ένα τεράστιο άλμα από τις συνθήκες νανοκέλβιν που χρειάζονται τα περισσότερα μποσονικά συμπυκνώματα.
«Αυτό θα είναι από μόνο του ένα ωραίο επίτευγμα», είπε ο Μακ με ένα πονηρό χαμόγελο, «να ζεστάνει τη θερμοκρασία κατά ένα δισεκατομμύριο φορές».
Υλικά Magical Moiré
Το 2018, ενώ το εργαστήριο Cornell ενίσχυσε τα πειράματά του στο TMD, μια άλλη έκπληξη από γραφένιο ξεκίνησε μια δεύτερη επανάσταση 2D υλικών. Πάμπλο Γιάριλο-Ερρέρο, ένας ερευνητής στο MIT και ένα άλλο alum της Columbia, ανακοίνωσε ότι η συστροφή ενός στρώματος γραφενίου σε σχέση με το στρώμα από κάτω δημιούργησε ένα μαγικό νέο 2D υλικό. Το μυστικό ήταν να πέσει το ανώτερο στρώμα έτσι ώστε τα εξάγωνά του να προσγειωθούν με μια ελαφριά «στρέψη», έτσι ώστε να περιστρέφονται ακριβώς 1.1 μοίρες έναντι των εξαγώνων από κάτω. Αυτή η κακή ευθυγράμμιση γωνίας προκαλεί μια μετατόπιση μεταξύ των ατόμων που μεγαλώνει και συρρικνώνεται καθώς κινείστε σε ένα υλικό, δημιουργώντας ένα επαναλαμβανόμενο σχέδιο μεγάλων «υπερκυττάρων» που είναι γνωστό ως υπερπλέγμα moiré. Ο Μακ Ντόναλντ και ένας συνάδελφος είχαν υπολογίστηκε το 2011 ότι στη «μαγική γωνία» των 1.1 μοιρών, η μοναδική κρυσταλλική δομή του υπερπλέγματος θα ανάγκαζε τα ηλεκτρόνια του γραφενίου να επιβραδύνουν και να αισθανθούν την απώθηση των γειτόνων τους.
Όταν τα ηλεκτρόνια συνειδητοποιούν το ένα το άλλο, συμβαίνουν περίεργα πράγματα. Σε κανονικούς μονωτές, αγωγούς και ημιαγωγούς, τα ηλεκτρόνια πιστεύεται ότι αλληλεπιδρούν μόνο με το πλέγμα των ατόμων. τρέχουν πολύ γρήγορα για να παρατηρήσουν ο ένας τον άλλον. Όμως, επιβραδύνοντας σε μια ανίχνευση, τα ηλεκτρόνια μπορούν να τιναχτούν μεταξύ τους και συλλογικά να υποθέσουν μια ποικιλία από εξωτικές κβαντικές καταστάσεις. Τα πειράματα του Jarillo-Herrero έδειξαν ότι, για ελάχιστα κατανοητή για λόγους, αυτή η επικοινωνία ηλεκτρονίου προς ηλεκτρόνιο σε συνεστραμμένο γραφένιο με μαγική γωνία οδηγεί σε ιδιαίτερα ισχυρή μορφή υπεραγωγιμότητας.
Το υπερπλέγμα moiré γραφενίου εισήγαγε επίσης τους ερευνητές σε έναν ριζοσπαστικό νέο τρόπο ελέγχου των ηλεκτρονίων. Στο υπερπλέγμα, τα ηλεκτρόνια αγνοούν τα μεμονωμένα άτομα και βιώνουν τα ίδια τα υπερκύτταρα σαν να ήταν γιγάντια άτομα. Αυτό καθιστά εύκολο τον εποικισμό των υπερκυττάρων με αρκετά ηλεκτρόνια για να σχηματίσουν συλλογικές κβαντικές καταστάσεις. Χρησιμοποιώντας ένα ηλεκτρικό πεδίο για να καλέσετε προς τα πάνω ή προς τα κάτω τον μέσο αριθμό ηλεκτρονίων ανά υπερκύτταρο, η ομάδα του Jarillo-Herrero μπόρεσε να κάνει τη συσκευή στριμμένης διπλής στιβάδας γραφενίου τους να λειτουργεί ως υπεραγωγός. ένας μονωτήρας, ή εμφανίστε α σχεδία άλλων, άγνωστες συμπεριφορές ηλεκτρονίων.
Οι φυσικοί σε όλο τον κόσμο έσπευσαν στο εκκολαπτόμενο πεδίο των «twistronics». Αλλά πολλοί έχουν διαπιστώσει ότι το στρίψιμο είναι δύσκολο. Τα άτομα δεν έχουν κανένα λόγο να πέφτουν καθαρά στη «μαγική» κακή ευθυγράμμιση 1.1 μοιρών, έτσι τα φύλλα ζαρώνουν με τρόπους που αλλάζουν εντελώς τις ιδιότητές τους. Η Xia, η μεταπτυχιακή φοιτήτρια του Cornell, είπε ότι έχει πολλούς φίλους σε άλλα πανεπιστήμια που εργάζονται με στριφτές συσκευές. Η δημιουργία μιας συσκευής που λειτουργεί συνήθως απαιτεί δεκάδες προσπάθειες. Και ακόμη και τότε, κάθε συσκευή συμπεριφέρεται διαφορετικά, επομένως συγκεκριμένα πειράματα είναι σχεδόν αδύνατο να επαναληφθούν.
Τα TMD παρουσιάζουν έναν πολύ ευκολότερο τρόπο δημιουργίας υπερδικτύων moiré. Επειδή τα διαφορετικά TMD έχουν εξαγωνικά πλέγματα διαφορετικών μεγεθών, η στοίβαξη ενός πλέγματος ελαφρώς μεγαλύτερων εξαγώνων πάνω από ένα μικρότερο πλέγμα δημιουργεί ένα μοτίβο moiré, όπως ακριβώς συμβαίνει και με την κακή ευθυγράμμιση γωνίας. Σε αυτήν την περίπτωση, επειδή δεν υπάρχει περιστροφή μεταξύ των στρωμάτων, η στοίβα είναι πιο πιθανό να κουμπώσει στη θέση της και να παραμείνει ακίνητη. Όταν η Xia ξεκινά να δημιουργήσει μια συσκευή TMD moiré, είπε, γενικά τα καταφέρνει τέσσερις φορές στις πέντε.
Τα υλικά TMD moiré κάνουν ιδανικές παιδικές χαρές για την εξερεύνηση των αλληλεπιδράσεων ηλεκτρονίων. Επειδή τα υλικά είναι ημιαγωγοί, τα ηλεκτρόνια τους γίνονται βαριά καθώς διαπερνούν τα υλικά, σε αντίθεση με τα ξέφρενα ηλεκτρόνια στο γραφένιο. Και τα γιγαντιαία κύτταρα moiré τα επιβραδύνουν περαιτέρω: Ενώ τα ηλεκτρόνια συχνά κινούνται μεταξύ των ατόμων με «σήραγγα», μια κβαντομηχανική συμπεριφορά παρόμοια με την τηλεμεταφορά, η διάνοιξη σήραγγας συμβαίνει σπάνια σε ένα πλέγμα moiré, καθώς τα υπερκύτταρα βρίσκονται περίπου 100 φορές πιο μακριά από τα άτομα μέσα τους . Η απόσταση βοηθά τα ηλεκτρόνια να εγκατασταθούν και τους δίνει την ευκαιρία να γνωρίσουν τους γείτονές τους.
Ο φιλικός αντίπαλος του Shan και του Mak, Feng Wang, ήταν ένας από τους πρώτους που αναγνώρισαν τις δυνατότητες των υπερδικτύων TMD moiré. Οι υπολογισμοί στο πίσω μέρος του φακέλου πρότειναν ότι αυτά τα υλικά θα πρέπει να δημιουργήσουν έναν από τους απλούστερους τρόπους οργάνωσης των ηλεκτρονίων - μια κατάσταση γνωστή ως κρύσταλλος Wigner, όπου η αμοιβαία απώθηση κλειδώνει τα ληθαργικά ηλεκτρόνια στη θέση τους. Η ομάδα του Wang είδε σημάδια τέτοιων καταστάσεων το 2020 και δημοσιεύτηκε η πρώτη εικόνα ηλεκτρονίων που κρατούν το ένα το άλλο στο μήκος του βραχίονα Φύση το 2021. Μέχρι τότε, η είδηση για τις δραστηριότητες TMD moiré του Wang είχε ήδη διαδοθεί στην κοινότητα της στενής 2D φυσικής και το εργοστάσιο Cornell TMD έβγαζε τις δικές του συσκευές TMD moiré. Οι Shan και Mak ανέφεραν επίσης στοιχεία για κρυστάλλους Wigner σε υπερπλέγματα TMD το 2020 και ανακάλυψαν μέσα σε μήνες ότι τα ηλεκτρόνια στις συσκευές τους θα μπορούσαν να κρυσταλλωθούν σχεδόν σε δύο δωδεκάδες διαφορετικά μοτίβα κρυστάλλων Wigner.
Ταυτόχρονα, ο όμιλος Cornell κατασκεύαζε επίσης υλικά TMD moiré σε ηλεκτρικό εργαλείο. MacDonald και συνεργάτες είχε προβλέψει το 2018 ότι αυτές οι συσκευές έχουν τον σωστό συνδυασμό τεχνικών χαρακτηριστικών για να τις κάνουν να αντιπροσωπεύουν τέλεια ένα από τα πιο σημαντικά μοντέλα παιχνιδιών στη φυσική της συμπυκνωμένης ύλης. Το μοντέλο Hubbard, όπως ονομάζεται, είναι ένα θεωρητικό σύστημα που χρησιμοποιείται για την κατανόηση μιας μεγάλης ποικιλίας συμπεριφορών ηλεκτρονίων. Προτείνεται ανεξάρτητα από τους Martin Gutzwiller, Junjiro Kanamori και John Hubbard το 1963, το μοντέλο είναι η καλύτερη προσπάθεια των φυσικών να απογυμνώσουν την πρακτικά άπειρη ποικιλία κρυσταλλικών δικτυωμάτων στα πιο βασικά χαρακτηριστικά τους. Φανταστείτε ένα πλέγμα ατόμων που φιλοξενούν ηλεκτρόνια. Το μοντέλο Hubbard υποθέτει ότι κάθε ηλεκτρόνιο αισθάνεται δύο ανταγωνιστικές δυνάμεις: Θέλει να κινηθεί με σήραγγα σε γειτονικά άτομα, αλλά απωθείται επίσης από τους γείτονές του, κάτι που το κάνει να θέλει να παραμείνει εκεί που είναι. Διαφορετικές συμπεριφορές προκύπτουν ανάλογα με το ποια επιθυμία είναι ισχυρότερη. Το μόνο πρόβλημα με το μοντέλο Hubbard είναι ότι σε όλες εκτός από την απλούστερη περίπτωση - μια 1D σειρά ατόμων - είναι μαθηματικά άλυτο.
Σύμφωνα με τον MacDonald και τους συνεργάτες του, τα υλικά TMD moiré θα μπορούσαν να λειτουργήσουν ως «προσομοιωτές» του μοντέλου Hubbard, λύνοντας πιθανώς μερικά από τα βαθύτερα μυστήρια του πεδίου, όπως η φύση της κόλλας που συνδέει τα ηλεκτρόνια σε υπεραγώγιμα ζεύγη σε άλατα χαλκού. Αντί να παλεύουν με μια αδύνατη εξίσωση, οι ερευνητές θα μπορούσαν να ελευθερώσουν ηλεκτρόνια σε ένα σάντουιτς TMD και να δουν τι έκαναν. «Μπορούμε να γράψουμε αυτό το μοντέλο, αλλά είναι πολύ δύσκολο να απαντήσουμε σε πολλές σημαντικές ερωτήσεις», είπε ο MacDonald. «Τώρα μπορούμε να το κάνουμε απλώς κάνοντας ένα πείραμα. Αυτό είναι πραγματικά πρωτοποριακό.”
Για να κατασκευάσουν τον προσομοιωτή μοντέλων Hubbard, οι Shan και Mak στοίβαξαν στρώματα δισελενιδίου βολφραμίου και θειούχου βολφραμίου για να δημιουργήσουν ένα υπερπλέγμα moiré και προσάρτησαν ηλεκτρόδια για να καλέσουν πάνω ή κάτω ένα ηλεκτρικό πεδίο που διέρχεται από το σάντουιτς TMD. Το ηλεκτρικό πεδίο έλεγχε πόσα ηλεκτρόνια θα γέμιζε κάθε υπερκύτταρο. Δεδομένου ότι τα κύτταρα λειτουργούν σαν γιγάντια άτομα, η μετάβαση από ένα ηλεκτρόνιο σε δύο ηλεκτρόνια ανά υπερκύτταρο ήταν σαν να μετατρέπουμε ένα πλέγμα ατόμων υδρογόνου σε ένα πλέγμα ατόμων ηλίου. Στο δικό τους αρχική δημοσίευση μοντέλου Hubbard in Φύση Τον Μάρτιο του 2020, ανέφεραν προσομοίωση ατόμων με έως και δύο ηλεκτρόνια. σήμερα, μπορούν να φτάσουν έως και οκτώ. Κατά κάποιο τρόπο, είχαν συνειδητοποιήσει τον αρχαίο στόχο να μετατρέψουν τον μόλυβδο σε χρυσό. «Είναι σαν να συντονίζεις τη χημεία», είπε ο Μακ, «περνώντας τον περιοδικό πίνακα». Κατ 'αρχήν, μπορούν ακόμη και να δημιουργήσουν ένα πλέγμα πλασματικών ατόμων με, ας πούμε, 1.38 ηλεκτρόνια το καθένα.
Στη συνέχεια, η ομάδα κοίταξε τις καρδιές των τεχνητών ατόμων. Με περισσότερα ηλεκτρόδια, θα μπορούσαν να ελέγξουν το «δυναμικό» των υπερκυττάρων κάνοντας αλλαγές παρόμοιες με την προσθήκη θετικών πρωτονίων στα κέντρα των γιγάντιων συνθετικών ατόμων. Όσο περισσότερο φορτίο έχει ένας πυρήνας, τόσο πιο δύσκολο είναι για τα ηλεκτρόνια να απομακρυνθούν, έτσι αυτό το ηλεκτρικό πεδίο τα αφήνει να ανεβάζουν και να μειώνουν την τάση αναπήδησης.
Ο έλεγχος των γιγάντων ατόμων από τον Mak και Shan - και επομένως το μοντέλο Hubbard - ήταν πλήρης. Το σύστημα TMD moiré τους επιτρέπει να καλέσουν ένα πλέγμα ατόμων ersatz, ακόμη και αυτά που δεν υπάρχουν στη φύση, και να τα μεταμορφώσουν ομαλά όπως θέλουν. Είναι μια δύναμη που, ακόμη και για άλλους ερευνητές στον τομέα, συνορεύει με τη μαγική. «Αν ήθελα να ξεχωρίσω την πιο συναρπαστική και εντυπωσιακή προσπάθειά τους, αυτή είναι αυτή», είπε η Kim.
Η ομάδα Cornell χρησιμοποίησε γρήγορα τα άτομα σχεδιαστή της για να διευθετήσει μια συζήτηση 70 ετών. Το ερώτημα ήταν: Τι θα γινόταν αν μπορούσατε να πάρετε έναν μονωτή και να τροποποιήσετε τα άτομά του για να τον μετατρέψετε σε αγώγιμο μέταλλο; Η αλλαγή θα γινόταν σταδιακά ή απότομα;
Με την αλχημεία τους moiré, ο Shan και ο Mak πραγματοποίησαν το πείραμα σκέψης στο εργαστήριό τους. Πρώτα προσομοίωσαν βαριά άτομα, τα οποία παγίδευσαν ηλεκτρόνια έτσι ώστε το υπερπλέγμα TMD να λειτουργήσει σαν μονωτής. Στη συνέχεια συρρίκνωσαν τα άτομα, αποδυναμώνοντας την παγίδα έως ότου τα ηλεκτρόνια κατέστησαν ικανά να πηδήξουν προς την ελευθερία, αφήνοντας το υπερπλέγμα να γίνει αγώγιμο μέταλλο. Παρατηρώντας μια σταδιακή πτώση της ηλεκτρικής αντίστασης καθώς το υπερδικτυακό πλέγμα ενεργούσε όλο και περισσότερο σαν μέταλλο, έδειξαν ότι η μετάβαση δεν είναι απότομη. Αυτή η διαπίστωση, η οποία ανακοίνωσαν in Φύση πέρυσι, ανοίγει την πιθανότητα τα ηλεκτρόνια του υπερπλέγματος να είναι σε θέση να επιτύχουν έναν τύπο ρευστότητας που αναζητείται από καιρό, γνωστό ως υγρό κβαντικού σπιν. «Αυτό μπορεί να είναι το πιο ενδιαφέρον πρόβλημα που μπορεί να αντιμετωπίσει κανείς», είπε ο Μακ.
Σχεδόν ταυτόχρονα, το ζευγάρι είχε την τύχη σε αυτό που ορισμένοι φυσικοί θεωρούν τη σημαντικότερη ανακάλυψή τους μέχρι σήμερα. «Ήταν στην πραγματικότητα ένα ολοκληρωτικό ατύχημα», είπε ο Μακ. «Κανείς δεν το περίμενε».
Όταν ξεκίνησαν την έρευνά τους στον προσομοιωτή Hubbard, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν σάντουιτς TMD στα οποία τα εξάγωνα στα δύο στρώματα είναι ευθυγραμμισμένα, με μέταλλα μετάπτωσης πάνω από μέταλλα μετάπτωσης και χαλκογονίδια πάνω στα χαλκογονίδια. (Τότε ανακάλυψαν τη σταδιακή μετάβαση από μονωτικό σε μέταλλο.) Στη συνέχεια, ειλικρινά, έτυχε να επαναλάβουν το πείραμα με συσκευές στις οποίες το ανώτερο στρώμα είχε στοιβαχτεί προς τα πίσω.
Όπως και πριν, η αντίσταση άρχισε να πέφτει καθώς τα ηλεκτρόνια άρχισαν να πηδούν. Στη συνέχεια όμως έπεσε απότομα, πέφτοντας τόσο χαμηλά που οι ερευνητές αναρωτήθηκαν αν το μουαρέ είχε αρχίσει να υπεραγωγεί. Εξερευνώντας περαιτέρω, όμως, αυτοί μέτρησε ένα σπάνιο πρότυπο αντίστασης γνωστό ως το κβαντικό ανώμαλο φαινόμενο Hall — απόδειξη ότι συνέβαινε κάτι ακόμα πιο περίεργο. Το αποτέλεσμα έδειξε ότι η κρυσταλλική δομή της συσκευής αναγκάζει τα ηλεκτρόνια κατά μήκος της άκρης του υλικού να δρουν διαφορετικά από εκείνα στο κέντρο. Στη μέση της συσκευής, τα ηλεκτρόνια παγιδεύτηκαν σε μονωτική κατάσταση. Αλλά γύρω από την περίμετρο, έρεαν προς μία κατεύθυνση - εξηγώντας την εξαιρετικά χαμηλή αντίσταση. Κατά λάθος, οι ερευνητές είχαν δημιουργήσει έναν εξαιρετικά ασυνήθιστο και εύθραυστο τύπο ύλης γνωστό ως μονωτή Chern.
Το κβαντικό ανώμαλο φαινόμενο hall, παρατηρήθηκε για πρώτη φορά το 2013, συνήθως καταρρέει εάν η θερμοκρασία ανέβει πάνω από μερικά εκατοστά του Κέλβιν. Το 2019, η ομάδα του Young στη Σάντα Μπάρμπαρα το είχε δει ένα σάντουιτς με στριφτό γραφένιο στα 5 Κέλβιν περίπου. Τώρα ο Shan και ο Mak είχαν επιτύχει το αποτέλεσμα σχεδόν στην ίδια θερμοκρασία, αλλά σε μια συσκευή TMD χωρίς περιστροφή που ο καθένας μπορεί να δημιουργήσει ξανά. «Η θερμοκρασία μας ήταν υψηλότερη, αλλά θα πάρω τη δική τους οποιαδήποτε μέρα γιατί μπορούν να το κάνουν 10 φορές στη σειρά», είπε ο Γιανγκ. Αυτό σημαίνει ότι μπορείτε να το κατανοήσετε "και να το χρησιμοποιήσετε για να κάνετε πραγματικά κάτι".
Ο Mak και ο Shan πιστεύουν ότι, με λίγη παρενόχληση, μπορούν να χρησιμοποιήσουν υλικά TMD moiré για την κατασκευή μονωτών Chern που επιβιώνουν σε 50 ή 100 Kelvin. Εάν είναι επιτυχείς, η εργασία θα μπορούσε να οδηγήσει σε έναν άλλο τρόπο για να ρέει ρεύμα χωρίς αντίσταση — τουλάχιστον για μικροσκοπικά «νανοκαλώδια», τα οποία μπορεί ακόμη και να ενεργοποιούν και να απενεργοποιούν σε συγκεκριμένα σημεία μιας συσκευής.
Εξερεύνηση στο Flatland
Ακόμη και όταν τα ορόσημα αποτελέσματα συσσωρεύονται, το ζευγάρι δεν δείχνει σημάδια επιβράδυνσης. Την ημέρα που επισκέφτηκα, ο Μακ κοίταξε τους μαθητές να εργάζονταν με ένα πανύψηλο ψυγείο αραίωσης που θα τους επέτρεπε να παγώσουν τις συσκευές τους σε θερμοκρασίες χίλιες φορές πιο κρύες από ό,τι έχουν δουλέψει μέχρι τώρα. Έχουν ανακαλυφθεί τόσες πολλές φυσικές σε «θερμότερες» συνθήκες που η ομάδα δεν είχε την ευκαιρία να αναζητήσει διεξοδικά το βαθύτερο κρυογονικό βασίλειο για σημάδια υπεραγωγιμότητας. Εάν το σούπερ ψυγείο αφήνει τα TMD να υπεραγωγούν, αυτό θα απαντήσει σε μια άλλη ερώτηση, που θα το δείξει μια μορφή μαγνητισμού που είναι εγγενής στα χαλικά (αλλά απουσιάζει από τα TMD) δεν είναι απαραίτητο συστατικό της κόλλας δέσμευσης ηλεκτρονίων. «Αυτό είναι σαν να σκοτώνεις ένα από τα σημαντικά συστατικά που οι θεωρητικοί ήθελαν πραγματικά να σκοτώσουν για πολύ καιρό», είπε ο Μακ.
Αυτός και η Shan και η ομάδα τους δεν έχουν καν αρχίσει να πειραματίζονται με μερικά από τα πιο funki TMD. Αφού πέρασαν χρόνια για να εφεύρουν τον εξοπλισμό που απαιτείται για να μετακινηθούν στην ήπειρο των 2D υλικών, τελικά ετοιμάζονται να επιχειρήσουν πέρα από την παραλία με δισουλφίδιο της μολίδας στην οποία προσγειώθηκαν το 2010.
Οι δύο ερευνητές αποδίδουν την επιτυχία τους σε μια κουλτούρα συνεργασίας που απορρόφησαν στην Κολούμπια. Η αρχική συνεργασία με την Hone που τους μύησε στο moly disulfide, λένε, ήταν μόνο μία από τις πολλές ευκαιρίες που απόλαυσαν επειδή ήταν ελεύθεροι να ακολουθήσουν την περιέργειά τους. «Δεν χρειάστηκε να συζητήσουμε» τα σχέδιά τους με τον Heinz, τον επικεφαλής του εργαστηρίου τους, είπε ο Shan. «Μιλήσαμε με ανθρώπους από άλλες ομάδες. Κάναμε τα πειράματα. Τελειώσαμε ακόμη και τα πράγματα».
Σήμερα καλλιεργούν ένα παρόμοιο χαλαρό περιβάλλον στο Cornell, όπου επιβλέπουν μερικές δεκάδες μεταδιδάκτορες, επισκέπτονται ερευνητές και φοιτητές, οι οποίοι είναι σε μεγάλο βαθμό ελεύθεροι να κάνουν το δικό τους. «Οι μαθητές είναι πολύ έξυπνοι και έχουν καλές ιδέες», είπε ο Μακ. «Μερικές φορές δεν θέλεις να επέμβεις».
Ο γάμος τους κάνει επίσης το εργαστήριό τους μοναδικό. Οι δυο τους έχουν μάθει να κλίνουν στις προσωπικές τους δυνάμεις. Εκτός από την αφθονία της δημιουργικότητας ως πειραματίστρια, η Shan διαθέτει μια προσεκτική πειθαρχία που την κάνει καλή μάνατζερ. Καθώς μιλούσαμε και οι τρεις μας, εκείνη έσπρωχνε συχνά τον «Καθηγητή Φάι» πίσω στο σωστό δρόμο όταν ο ενθουσιασμός του για τη φυσική τον έσπρωχνε πολύ βαθιά στις τεχνικές λεπτομέρειες. Ο Μακ, από την πλευρά του, απολαμβάνει να μοχθεί δίπλα στους ερευνητές της πρώιμης σταδιοδρομίας, τόσο εντός όσο και εκτός του εργαστηρίου. Πρόσφατα ξεκίνησε την αναρρίχηση με την ομάδα. «Φαίνεται ότι το εργαστήριό τους είναι η οικογένειά τους», είπε ο Γιανγκ. Η Shan και ο Mak μου είπαν ότι πετυχαίνουν περισσότερα μαζί παρά μόνοι τους. «Ένα συν ένα είναι περισσότερα από δύο», είπε ο Μακ.
Οι συσκευές που κατασκευάζουν μπορεί επίσης να συσσωρεύονται ώστε να είναι περισσότερες από το άθροισμα των εξαρτημάτων τους. Καθώς οι ερευνητές ενώνουν φύλλα TMD μαζί για να δημιουργήσουν εξιτόνια και υπερπλέγματα moiré, εικάζουν πώς οι νέοι τρόποι εξημέρωσης ηλεκτρονίων θα μπορούσαν να υπερφορτίσουν την τεχνολογία. Ακόμα κι αν η υπεραγωγιμότητα που είναι έτοιμη για τσέπη παραμένει άπιαστη, τα συμπυκνώματα Bose-Einstein θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε εξαιρετικά ευαίσθητους κβαντικούς αισθητήρες και ο καλύτερος έλεγχος των μονωτών τύπου Chern θα μπορούσε να επιτρέψει ισχυρούς κβαντικούς υπολογιστές. Και αυτές είναι μόνο οι προφανείς ιδέες. Οι σταδιακές βελτιώσεις στην επιστήμη των υλικών συχνά προσθέτουν ριζικές εφαρμογές που λίγοι είδαν να έρχονται. Οι ερευνητές που ανέπτυξαν το τρανζίστορ, για παράδειγμα, θα δυσκολεύονταν να προβλέψουν smartphone που τροφοδοτούνταν από δισεκατομμύρια μικροσκοπικούς διακόπτες γεμισμένους σε ένα τσιπ στο μέγεθος ενός νυχιού. Και οι επιστήμονες που προσπάθησαν να δημιουργήσουν γυάλινες ίνες που θα μπορούσαν να μεταφέρουν φως στον πάγκο του εργαστηρίου τους δεν μπορούσαν να προβλέψουν ότι οι υποθαλάσσιες οπτικές ίνες μήκους 10,000 χιλιομέτρων θα ένωναν κάποια μέρα τις ηπείρους. Τα δισδιάστατα υλικά μπορεί να εξελίσσονται σε παρόμοιες απρόβλεπτες κατευθύνσεις. «Μια πραγματικά νέα πλατφόρμα υλικών δημιουργεί τις δικές της εφαρμογές σε αντίθεση με την εκτόπιση των υπαρχόντων υλικών», είπε ο Heinz.
Καθώς με οδήγησαν στη στάση του λεωφορείου της Ιθάκης, ο Σαν και ο Μακ μου είπαν για πρόσφατες (και σπάνιες) διακοπές που έκαναν στο Μπανφ του Καναδά, όπου επέδειξαν για άλλη μια φορά την ικανότητά τους να σκοντάφτουν σε εκπλήξεις μέσα από ένα μείγμα προσπάθειας και τύχης. Είχαν περάσει μέρες προσπαθώντας —μάταια— να εντοπίσουν μια αρκούδα. Στη συνέχεια, στο τέλος του ταξιδιού, στο δρόμο για το αεροδρόμιο, σταμάτησαν να τεντώσουν τα πόδια τους σε ένα βοτανικό καταφύγιο και βρέθηκαν πρόσωπο με πρόσωπο με μια μαύρη αρκούδα.
Ομοίως, με τη φυσική της συμπυκνωμένης ύλης, η προσέγγισή τους είναι να περιπλανηθούν μαζί σε ένα νέο τοπίο και να δουν τι εμφανίζεται. «Δεν έχουμε πολλές θεωρητικές οδηγίες, αλλά απλώς χαζεύουμε και παίζουμε με πειράματα», είπε ο Μακ. «Μπορεί να αποτύχει, αλλά μερικές φορές μπορεί να πέσετε σε κάτι πολύ απροσδόκητο».
