La molibdenita, incluso para el ojo entrenado, se ve casi idéntica al grafito, un cristal plateado brillante. También actúa de manera similar, eliminando las escamas de una manera que sería un buen relleno para lápices. Pero para un electrón, las dos redes de átomos forman mundos diferentes. La distinción entró por primera vez en el registro científico hace 244 años. Carl Scheele, un químico sueco famoso por su descubrimiento del oxígeno, sumergió cada mineral en una variedad de ácidos y observó las espeluznantes nubes de gas que se elevaban. Scheele, quien eventualmente pagó por este enfoque con su vida, muriendo de sospecha de envenenamiento por metales pesados a los 43 años, concluyó que la molibdenita era una sustancia nueva. Al describirlo en una carta a la Real Academia Sueca de Ciencias en 1778, escribió: “No me refiero aquí al grafito comúnmente conocido que uno puede adquirir en el boticario. Este metal de transición parece ser desconocido”.
Con su tendencia a descascararse en fragmentos de polvo, la molibdenita se convirtió en un lubricante popular en el siglo XX. Ayudó a los esquís a deslizarse más a través de la nieve y suavizó la salida de las balas de los cañones de los rifles en Vietnam.
Hoy, esa misma descamación está alimentando una revolución física.
Los avances comenzaron con el grafito y la cinta adhesiva. Los investigadores descubrieron por casualidad en 2004 que podían usar cinta adhesiva para despegar escamas de grafito de solo un átomo de espesor. Estas láminas cristalinas, cada una de las cuales es una matriz plana de átomos de carbono, tenían propiedades asombrosas que eran radicalmente diferentes de las de los cristales tridimensionales de los que procedían. El grafeno (como lo llamaron sus descubridores) era una categoría completamente nueva de sustancia: un material 2D. Su descubrimiento transformó la física de la materia condensada, la rama de la física que busca comprender las muchas formas y comportamientos de la materia. Cercano a la mitad de todos los físicos son físicos de la materia condensada; es el subcampo que nos trajo chips de computadora, láseres, bombillas LED, máquinas de resonancia magnética, paneles solares y todo tipo de maravillas tecnológicas modernas. Después del descubrimiento del grafeno, miles de físicos de materia condensada comenzaron a estudiar el nuevo material, con la esperanza de que respaldara las tecnologías futuras.
Los descubridores del grafeno recibieron el Premio Nobel de Física en 2010. Ese mismo año, dos jóvenes físicos de la Universidad de Columbia, jie-shan y Kin Fai Mak, vio señales de que las escamas de molibdenita podrían ser incluso más mágicas que el grafeno. El mineral menos conocido tiene propiedades que lo hacen difícil de estudiar, demasiado difícil para muchos laboratorios, pero cautivó a Shan y Mak. El tenaz dúo dedicó casi una década a disputar molibdenita 2D (o disulfuro de molibdeno, como se llama la versión del cristal cultivada en laboratorio) y una familia de cristales 2D estrechamente relacionados.
Ahora su esfuerzo está dando sus frutos. Shan y Mak, que ahora están casados y dirigen un grupo de investigación conjunto en la Universidad de Cornell, han demostrado que los cristales 2D de disulfuro de molibdeno y sus parientes pueden dar lugar a una enorme variedad de fenómenos cuánticos exóticos. “Es un patio de recreo loco”, dijo James Hone, un investigador de Columbia que suministra cristales de alta calidad al laboratorio de Cornell. "Puedes hacer toda la física moderna de la materia condensada en un sistema material".
El grupo de Shan y Mak ha capturado electrones que se comportan de manera sin precedentes en estos cristales planos. Han persuadido a las partículas para que se fusionen en un fluido cuántico y se congelen en una variedad de estructuras parecidas al hielo. Han aprendido a ensamblar redes de átomos artificiales gigantes que ahora sirven como banco de pruebas para teorías fundamentales de la materia. Desde que abrieron su laboratorio de Cornell en 2018, los maestros domadores de electrones han publicado ocho artículos asombrosos en Naturaleza, la revista científica más prestigiosa, así como una gran cantidad de artículos adicionales. Los teóricos dicen que la pareja está ampliando la comprensión de lo que son capaces de hacer una multitud de electrones.
Su investigación "es profundamente impresionante en muchos aspectos", dijo felipe kim, un destacado físico de materia condensada de la Universidad de Harvard. “Es, diría yo, sensacional”.
Auge de los materiales 2D
Los atributos de un material generalmente reflejan lo que están haciendo sus electrones. En conductores como los metales, por ejemplo, los electrones navegan entre los átomos con facilidad, transportando electricidad. En aislantes como la madera y el vidrio, los electrones se quedan. Los semiconductores como el silicio se encuentran en el medio: sus electrones pueden verse obligados a moverse con una afluencia de energía, lo que los hace ideales para encender y apagar corrientes, el trabajo de un transistor. Durante los últimos 50 años, además de esos tres comportamientos básicos de los electrones, los físicos de la materia condensada han visto que las partículas ligeras cargadas se comportan de formas mucho más exóticas.
Una de las sorpresas más dramáticas llegó en 1986, cuando dos investigadores de IBM, Georg Bednorz y Alex Müller, detectado una corriente de electrones que se mueven a través de un cristal de óxido de cobre ("cuprato") sin ningún tipo de resistencia. Esta superconductividad, la capacidad de la electricidad para fluir con perfecta eficiencia, se había visto antes, pero solo por razones bien entendidas en materiales enfriados a unos pocos grados del cero absoluto. Esta vez, Bednorz y Müller observaron una forma misteriosa del fenómeno que persistió en un récord de 35 kelvins (es decir, 35 grados por encima del cero absoluto). Los científicos pronto descubrieron otros cupratos superconductores por encima de los 100 kelvin. Nació un sueño que sigue siendo quizás el objetivo número uno de la física de la materia condensada en la actualidad: encontrar o diseñar una sustancia que pueda superconducir electricidad en nuestro mundo caliente, de aproximadamente 300 kelvin, permitiendo líneas eléctricas sin pérdidas, vehículos que levitan y otros dispositivos hipereficientes que reduciría significativamente las necesidades energéticas de la humanidad.
La clave de la superconductividad es persuadir a los electrones, que normalmente se repelen entre sí, para que se apareen y formen entidades conocidas como bosones. Entonces, los bosones pueden fusionarse colectivamente en un fluido cuántico sin fricción. Las fuerzas de atracción que crean los bosones, como las vibraciones atómicas, normalmente pueden superar la repulsión de los electrones solo a temperaturas criogénicas o altas presiones. Pero la necesidad de estas condiciones extremas ha impedido que la superconductividad llegue a los dispositivos cotidianos. El descubrimiento de los cupratos generó esperanzas de que la red atómica correcta pudiera "pegar" los electrones con tanta firmeza que permanecerían atascados incluso a temperatura ambiente.
40 años después del hallazgo de Bednorz y Müller, los teóricos aún no están completamente seguros de cómo funciona el pegamento en los cupratos, y mucho menos cómo ajustar los materiales para fortalecerlo. Por lo tanto, gran parte de la investigación en física de la materia condensada es una búsqueda de prueba y error de cristales que puedan mantener sus electrones emparejados o guiarlos de otras maneras maravillosas. “La materia condensada es una rama de la física que permite serendipias”, dijo Kim. Tal fue el descubrimiento en 2004 de los materiales 2D.
Andre Geim y Konstantin Novoselov, trabajando con grafito en la Universidad de Manchester en el Reino Unido, descubierto CRISPR una consecuencia impactante de la descamación del material. Un cristal de grafito contiene átomos de carbono dispuestos en láminas de hexágonos débilmente unidas. Los teóricos habían predicho durante mucho tiempo que sin la influencia estabilizadora de la pila, las vibraciones inducidas por el calor romperían una lámina de una sola capa. Pero Geim y Novoselov descubrieron que podían despegar láminas atómicamente delgadas y estables con poco más que cinta adhesiva y persistencia. El grafeno fue el primer material verdaderamente plano, un plano en el que los electrones pueden deslizarse pero no hacia arriba y hacia abajo.
Hone, el físico de Columbia, descubrió que el material más delgado del mundo es de alguna manera también el más fuerte. Fue una sorpresa notable para un material que los teóricos pensaban que no encajaría en absoluto.
Lo que más intrigaba a los físicos sobre el grafeno era cómo la tierra plana de carbono transformaba los electrones: nada podía ralentizarlos. Los electrones a menudo tropiezan con la red de átomos a través de los cuales se mueven, actuando más pesados que su masa de libro de texto (los electrones inmóviles de un aislador actúan como si tuvieran una masa infinita). Sin embargo, la red plana del grafeno permite que los electrones se muevan a un millón de metros por segundo, solo unos cientos de veces más lento que la velocidad de la luz. A esa velocidad constante y vertiginosa, los electrones volaron como si no tuvieran masa, bendiciendo al grafeno con una conductividad extrema (aunque no super).
Todo un campo surgió alrededor del maravilloso material. Los investigadores también comenzaron a pensar de manera más amplia. ¿Podrían los copos 2D de otras sustancias albergar superpoderes propios? Hone estaba entre los que se ramificaron. En 2009, midió algunas propiedades mecánicas del doppelgänger del grafito, el disulfuro de molibdeno, y luego pasó el cristal a dos especialistas ópticos en el laboratorio de Tony Heinz en Columbia. Fue un movimiento casual que cambiaría las carreras de todos los involucrados.
La muestra de disulfuro de molibdeno llegó a manos de Jie Shan, una profesora visitante al principio de su carrera, y Kin Fai Mak, una estudiante de posgrado. El joven dúo estaba estudiando cómo interactúa el grafeno con la luz, pero ya habían comenzado a soñar despiertos con otros materiales. Los veloces electrones del grafeno lo convierten en un conductor fantástico, pero lo que querían era un semiconductor 2D, un material cuyo flujo de electrones pudieran encender y apagar y que, por lo tanto, pudiera servir como transistor.
Se sabía que el disulfuro de molibdeno era un semiconductor. Y Shan y Mak pronto descubrieron que, como el grafito, ganaba poderes adicionales en 2D. Cuando apuntaron un láser a cristales 3D de "disulfuro de molibdeno" (como lo llaman cariñosamente), los cristales permanecieron oscuros. Pero cuando Shan y Mak arrancaron capas con cinta adhesiva, las golpearon con un láser y las examinaron con un microscopio, vieron que las láminas 2D brillaban intensamente.
La investigación de otros grupos confirmaría más tarde que las hojas bien hechas de un material estrechamente relacionado reflejan hasta el último fotón que las golpea. “Eso es un poco alucinante”, dijo Mak recientemente, cuando lo conocí a él ya Shan en su oficina compartida en Cornell. "Solo tienes una sola hoja de átomos, y puede reflejar el 100% de la luz como un espejo perfecto". Se dieron cuenta de que esta propiedad podría conducir a dispositivos ópticos espectaculares.
Independientemente, Feng Wang, un físico de la Universidad de California, Berkeley, hizo el mismo descubrimiento. Un material 2D que era altamente reflectante y un semiconductor para arrancar llamó la atención de la comunidad. Ambos grupos publicaron sus hallazgos en 2010; desde entonces, los artículos han recibido más de 16,000 citas entre ellos. “Todo el mundo con láser comenzó a interesarse mucho en los materiales 2D”, dijo Hone.
Al identificar el disulfuro de molibdeno como un segundo material maravilloso en 2D, los dos grupos tocaron tierra en todo un continente de materiales en 2D. El disulfuro de molibdeno pertenece a una familia de sustancias conocidas como dicalcogenuros de metales de transición (TMD), en la que los átomos de la región metálica media de la tabla periódica, como el molibdeno, se unen con pares de compuestos químicos conocidos como calcogenuros, como el azufre. El disulfuro de molibdeno es el único TMD natural, pero existen docenas más que los investigadores pueden preparar en los laboratorios: disulfuro de tungsteno, ditellurida de molibdeno, etc. La mayoría forman hojas con encuadernación débil, lo que las hace susceptibles al lado comercial de una cinta.
Sin embargo, la ola inicial de entusiasmo pronto disminuyó, ya que los investigadores lucharon por lograr que los TMD hicieran algo más que brillar. El grupo de Wang, por su parte, recurrió al grafeno después de descubrir que no podían unir fácilmente electrodos de metal al disulfuro de molibdeno. “Ese ha sido el obstáculo para nuestro grupo durante bastantes años”, dijo. “Incluso ahora no somos muy buenos para hacer contacto”. Parecía que la principal ventaja de los TMD sobre el grafeno era también su mayor debilidad: para estudiar las propiedades electrónicas de un material, los investigadores a menudo deben introducir electrones en él y medir la resistencia de la corriente resultante. Pero debido a que los semiconductores son malos conductores, es difícil que los electrones entren o salgan.
Mak y Shan inicialmente se sintieron ambivalentes. “Realmente no estaba claro si deberíamos seguir trabajando en el grafeno o comenzar a trabajar en este nuevo material”, dijo Mak. “Pero como descubrimos que tiene esta propiedad agradable, continuamos haciendo algunos experimentos más”.
Mientras trabajaban, los dos investigadores quedaron cada vez más encantados con el disulfuro de molibdeno y entre sí. Inicialmente, su contacto era profesional, limitado en gran medida a correos electrónicos centrados en la investigación. “Fai a menudo preguntaba: '¿Dónde está ese equipo? ¿Dónde pusiste eso?'”, dijo Shan. Pero eventualmente su relación, incubada por largas horas y catalizada por el éxito experimental, se volvió romántica. “Simplemente nos veíamos con demasiada frecuencia, literalmente en el mismo laboratorio trabajando en el mismo proyecto”, dijo Mak. “El proyecto funcionando muy bien también nos hizo felices”.
Toda la física todo el tiempo
Se necesitaría una asociación entre dos físicos dedicados con una disciplina férrea para poner fin a los problemáticos TMD.
Los académicos siempre llegaron fácilmente a Shan. Creciendo en la década de 1970 en la provincia costera de Zhejiang, fue una estudiante estrella, sobresaliendo en matemáticas, ciencias y lenguaje y ganando un lugar codiciado en la Universidad de Ciencia y Tecnología de China en Hefei. Allí, calificó para un programa de intercambio cultural selectivo entre China y la Unión Soviética, y aprovechó la oportunidad para estudiar ruso y física en la Universidad Estatal de Moscú. “Cuando eres adolescente, estás ansioso por explorar el mundo”, dijo. “No dudé”.
De inmediato, vio más del mundo de lo que esperaba. Los problemas con la visa retrasaron su llegada a Rusia unos meses y perdió su lugar en el programa de idiomas. Las autoridades le encontraron otro rumbo, y poco después de aterrizar en Moscú abordó un tren y viajó 5,000 kilómetros al este. Tres días después llegó a la ciudad de Irkutsk en medio de Siberia al comienzo del invierno. “El consejo que recibí fue: 'Nunca, nunca toques nada sin guantes'”, para que no se atasque, dijo.
Shan se mantuvo los guantes puestos, aprendió ruso en un solo semestre y llegó a apreciar la cruda belleza del paisaje invernal. Cuando terminó el curso y se derritió la nieve, regresó a la capital para comenzar la carrera de física, llegando a Moscú en la primavera de 1990, en plena desintegración de la Unión Soviética.
Fueron años caóticos. Shan vio tanques rodando por las calles cerca de la universidad mientras los comunistas intentaban recuperar el control del gobierno. En otra ocasión, justo después de un examen final, estallaron las peleas. “Podíamos escuchar disparos y nos dijeron que apagáramos las luces del dormitorio”, dijo. Todo, desde la comida hasta el papel higiénico, se racionaba mediante un sistema de cupones. Sin embargo, Shan se sintió inspirada por la resiliencia de sus profesores, quienes continuaron con su investigación a pesar de la agitación. “Las condiciones eran duras, pero muchos de los científicos tenían este tipo de actitud. Realmente aman lo que hacen, a pesar de lo que está pasando”, dijo.
Cuando el orden mundial colapsó, Shan se destacó y publicó un artículo de óptica teórica que llamó la atención de Heinz en Columbia. Él la animó a postularse y ella se mudó a Nueva York, donde ocasionalmente ayudaba a otros estudiantes internacionales a establecerse en un país extranjero. Reclutó a Wang para trabajar en el laboratorio de Heinz, por ejemplo, y compartió consejos experimentales. “Ella me enseñó cómo ser paciente”, dijo, y “cómo no frustrarme con el láser”.
La mayoría de los investigadores toman una posición posdoctoral después de obtener su doctorado, pero Shan se unió directamente a la Universidad Case Western Reserve como profesora asociada en 2001. Varios años después, en un año sabático, regresó al laboratorio de Heinz en Columbia. Por una vez, su momento fue fortuito. Comenzó a colaborar con un estudiante graduado encantador y de ojos brillantes en el grupo de Heinz, Kin Fai Mak.
Mak había seguido un camino diferente y menos tumultuoso hacia la ciudad de Nueva York. Al crecer en Hong Kong, tuvo problemas en la escuela, ya que poco más que la física tenía sentido para él. “Era lo único que me gustaba y en lo que era realmente bueno, así que elegí física”, dijo.
Su investigación de pregrado en la Universidad de Hong Kong se destacó, y Heinz lo reclutó para unirse al floreciente programa de física de la materia condensada de Columbia. Allí, se dedicó a la investigación, pasando casi todas sus horas de vigilia en el laboratorio excepto por algún partido ocasional de fútbol intramuros. Andrea Young, una compañera de posgrado (ahora profesora asistente en la Universidad de California, Santa Bárbara), compartía un apartamento con Mak en West 113th Street. “Tuve suerte si podía encontrarlo a las 2 de la mañana para cocinar pasta y hablar sobre física. Todo era física todo el tiempo”, dijo Young.
Pero los buenos tiempos no duraron. Poco después de una excursión a la selva amazónica en Colombia con Young, Mak se enfermó. Sus médicos no estaban seguros de qué hacer con los desconcertantes resultados de sus pruebas, y se puso peor. Una afortunada coincidencia le salvó la vida. Young le describió la situación a su padre, un investigador médico, quien inmediatamente reconoció los signos de anemia aplásica, una afección inusual de la sangre que resultó ser el tema de su propia investigación. “En realidad, es muy raro contraer esta enfermedad, en primer lugar”, dijo Mak. “Y aún más raro contraer una enfermedad en la que el padre de tu compañero de cuarto es un experto”.
El padre de Young ayudó a Mak a inscribirse en tratamientos experimentales. Pasó gran parte de su último año de estudios de posgrado en el hospital y estuvo a punto de morir varias veces. A lo largo de la terrible experiencia, el ardor de Mak por la física lo impulsó a seguir trabajando. “Estaba escribiendo PRL cartas desde su cama de hospital”, dijo Young, refiriéndose al diario Physical Review Letters. “A pesar de todo esto, fue uno de los estudiantes más productivos de la historia”, dijo Heinz. “Fue algo así como un milagro”.
Otros tratamientos finalmente ayudaron a Mak a recuperarse por completo. Young, él mismo un reconocido experimentador, bromearía más tarde sobre sus intervenciones: "Entre amigos, lo llamo mi mayor contribución a la física".
Hacia el desierto 2D
Mak se trasladó a Cornell como investigador postdoctoral en 2012, momento en el que Shan ya había regresado a Case Western. Persiguieron proyectos individuales con grafeno y otros materiales, pero también continuaron descubriendo juntos más secretos de los TMD.
En Cornell, Mak aprendió el arte de medir el transporte de electrones, la otra forma principal de adivinar el movimiento de los electrones, además de la óptica. Esta experiencia hizo que él y Shan fueran una doble amenaza en un campo en el que los investigadores suelen especializarse en un tipo u otro. “Cada vez que me reúno con Fai y Jie, me quejo: 'Es injusto que hagan transporte'”, dijo Kim. "¿Que se supone que haga?"
Cuanto más aprendía el dúo sobre los TMD, más intrigantes se volvían. Los investigadores generalmente se enfocan en una de las dos propiedades de los electrones: su carga y giro (o momento angular intrínseco). El control del flujo de carga eléctrica es la base de la electrónica moderna. Y cambiar el giro de los electrones podría conducir a dispositivos de "espintrónica" que empaquetan más información en espacios más pequeños. En 2014, Mak ayudó a descubrir que los electrones en el disulfuro de molibdeno 2D pueden adquirir una tercera propiedad especial: estos electrones deben moverse con cantidades específicas de impulso, un atributo controlable conocido como "valle" que los investigadores especulan que podría generar un tercer campo de la tecnología "valleytronics".
Ese mismo año, Mak y Shan identificaron otra característica llamativa de los TMD. Los electrones no son las únicas entidades que se mueven a través de un cristal; los físicos también rastrean los "agujeros", las vacantes creadas cuando los electrones saltan a otro lugar. Estos agujeros pueden recorrer un material como partículas reales cargadas positivamente. El hueco positivo atrae un electrón negativo para formar una asociación fugaz, conocida como excitón, en el momento antes de que el electrón tape el hueco. Shan y Mak midió la atracción entre electrones y agujeros en diseleniuro de tungsteno 2D y lo encontró cientos de veces más fuerte que en un semiconductor 3D típico. El hallazgo insinuó que los excitones en los TMD podrían ser especialmente robustos y que, en general, era más probable que los electrones hicieran todo tipo de cosas extrañas.
La pareja aseguró puestos juntos en la Universidad Estatal de Pensilvania y comenzó un laboratorio allí. Finalmente, convencidos de que valía la pena apostar sus carreras en los TMD, hicieron de los materiales el foco de atención de su nuevo grupo. También se casaron.
Mientras tanto, el equipo de Hone en Columbia vio que las propiedades del grafeno se volvían aún más extremas cuando lo colocaron encima de un aislante de alta calidad, el nitruro de boro. Fue un ejemplo temprano de uno de los aspectos más novedosos de los materiales 2D: su capacidad de apilamiento.
Coloque un material 2D encima de otro, y las capas se ubicarán a una fracción de nanómetro de distancia, ninguna distancia desde la perspectiva de sus electrones. Como resultado, las hojas apiladas se fusionan efectivamente en una sola sustancia. “No son solo dos materiales juntos”, dijo Wang. “Realmente creas un material nuevo”.
Mientras que el grafeno consiste exclusivamente en átomos de carbono, la diversa familia de redes TMD aporta docenas de elementos adicionales al juego de apilamiento. Cada TMD tiene sus propias habilidades intrínsecas. Algunos son magnéticos; otros superconductores. Los investigadores esperaban mezclarlos y combinarlos con materiales de moda con sus poderes combinados.
Pero cuando el grupo de Hone colocó disulfuro de molibdeno en un aislante, las propiedades de la pila mostraron ganancias mediocres en comparación con lo que habían visto en el grafeno. Eventualmente se dieron cuenta de que no habían verificado la calidad de los cristales TMD. Cuando hicieron que algunos colegas colocaran su disulfuro de molibdeno bajo un microscopio capaz de resolver átomos individuales, quedaron atónitos. Algunos átomos estaban en el lugar equivocado, mientras que otros habían desaparecido por completo. Hasta 1 de cada 100 sitios de red tuvo algún problema, lo que impidió la capacidad de la red para dirigir electrones. El grafeno, en comparación, era la imagen de la perfección, con aproximadamente un defecto por millón de átomos. “Finalmente nos dimos cuenta de que las cosas que habíamos estado comprando eran basura”, dijo Hone.
Alrededor de 2016, decidió entrar en el negocio de cultivar TMD de grado de investigación. Reclutó a un postdoctorado, Daniel Rodas, con experiencia en el cultivo de cristales fundiendo polvos de materias primas a temperaturas extremadamente altas y luego enfriándolos a un ritmo glacial. “Es como cultivar caramelos de roca a partir de azúcar en agua”, explicó Hone. El nuevo proceso tomó un mes, en comparación con los pocos días de los métodos comerciales. Pero produjo cristales de TMD cientos o miles de veces mejores que los que están a la venta en los catálogos de productos químicos.
Antes de que Shan y Mak pudieran aprovechar los cristales cada vez más prístinos de Hone, se enfrentaron a la poco glamorosa tarea de descubrir cómo trabajar con copos microscópicos a los que no les gusta aceptar electrones. Para bombear electrones (la base de la técnica de transporte que Mak había aprendido como posdoctorado), la pareja se obsesionó con innumerables detalles: qué tipo de metal usar para el electrodo, qué tan lejos del TMD colocarlo, incluso qué químicos usar. utilizar para limpiar los contactos. Probar las infinitas formas de configurar los electrodos fue lento y laborioso: "un proceso lento de refinar esto o refinar eso poco a poco", dijo Mak.
También pasaron años descubriendo cómo levantar y apilar los copos microscópicos, que miden solo décimas de millonésimas de metro de ancho. Con esta habilidad, además de los cristales de Hone y los contactos eléctricos mejorados, todo salió bien en 2018. La pareja se mudó a Ithaca, Nueva York, para ocupar nuevos puestos en Cornell, y una cascada de resultados pioneros salió de su laboratorio.
Avances en Cornell
“Hoy, todo es difícil de recoger por alguna razón”, dijo Zhengchao Xia, un estudiante de posgrado en el grupo de Mak y Shan, mientras la silueta oscura de un copo de nitruro de boro amenazaba con desprenderse y volver a caer a la superficie de silicio debajo. La lámina con forma de Madagascar se adhería débilmente a un trozo de grafito parecido a Arabia Saudita, como el papel se adhería a la superficie crepitante de un globo recién frotado. El grafito, a su vez, estaba adherido a una pegajosa gota de rocío de plástico adherida a un portaobjetos de vidrio. Xia usó una interfaz de computadora para dirigir un soporte motorizado que agarraba el tobogán. Al igual que un aficionado a los juegos de arcade podría maniobrar una máquina de garras con un joystick, levantó con cuidado la pila en el aire a una velocidad de una quinta parte de una millonésima de metro por clic del mouse, mirando fijamente el monitor de la computadora para ver si había atrapó con éxito la escama de nitruro de boro.
Ella tenía. Con unos pocos clics más, la pila de dos capas se liberó y Xia se movió rápida pero deliberadamente para depositar los copos en un tercer material incrustado con electrodos de metal en expansión. Con unos cuantos clics más, calentó la superficie, derritiendo el adhesivo plástico del portaobjetos antes de que cualquiera de nosotros pudiera estornudar para quitar el dispositivo microscópico.
“Siempre tengo esta pesadilla de que simplemente desaparece”, dijo.
De principio a fin, Xia había tardado más de una hora en ensamblar la mitad inferior de un dispositivo simple, el equivalente a un PB&J de cara abierta. Me mostró otra pila que había preparado recientemente y recitó algunos de los ingredientes, que incluían el diseleniuro de tungsteno de TMD y el ditellurida de molibdeno. Uno de las docenas de sándwiches microscópicos que ha construido y estudiado durante el último año, este dispositivo Dagwood tenía la friolera de 10 capas y tomó varias horas ensamblarlo.
Este apilamiento de materiales 2D, que también se realiza en laboratorios de Columbia, el Instituto Tecnológico de Massachusetts, Berkeley, Harvard y otras instituciones, representa la realización de un sueño de larga data de los físicos de la materia condensada. Los investigadores ya no están restringidos a los materiales que se encuentran en el suelo o que crecen lentamente en un laboratorio. Ahora pueden jugar con el equivalente atómico de los ladrillos Lego, uniendo láminas para construir estructuras a medida con las propiedades deseadas. Cuando se trata de ensamblar estructuras TMD, pocos han ido tan lejos como el grupo Cornell.
El primer gran descubrimiento de Mak y Shan en Cornell tuvo que ver con los excitones, los pares electrón-hueco fuertemente unidos que habían visto en los TMD en 2014. Los excitones intrigan a los físicos porque estos “cuasipartículas” puede ofrecer una forma indirecta de lograr un objetivo perenne de la física de la materia condensada: la superconductividad a temperatura ambiente.
Los excitones se rigen por las mismas reglas funky que los pares electrón-electrón; estos pares de agujeros de electrones también se convierten en bosones, lo que les permite "condensarse" en un estado cuántico compartido conocido como condensado de Bose-Einstein. Esta horda coherente de cuasipartículas puede mostrar rasgos cuánticos como la superfluidez, la capacidad de fluir sin resistencia. (Cuando un superfluido transporta corriente eléctrica, es superconductor).
Pero a diferencia de los electrones repulsivos, a los electrones y los huecos les encanta acoplarse. Los investigadores dicen que esto potencialmente hace que su pegamento sea más fuerte. Los desafíos de la superconductividad basada en excitones radican en evitar que el electrón llene el agujero y lograr que los pares eléctricamente neutros fluyan en una corriente, todo en una habitación lo más cálida posible. Hasta ahora, Mak y Shan han resuelto el primer problema y tienen un plan para abordar el segundo.
Las nubes de átomos se pueden inducir a formar condensados enfriándolos a un cabello por encima del cero absoluto con láseres potentes. Pero los teóricos han sospechado durante mucho tiempo que los condensados de excitones podrían formarse a temperaturas más altas. El grupo de Cornell hizo realidad esta idea con sus TMD apilables. Usando un sándwich de dos capas, pusieron electrones adicionales en la capa superior y quitaron electrones de la parte inferior, dejando huecos. Los electrones y los huecos se emparejaron, formando excitones de larga vida porque los electrones tienen problemas para saltar a la capa opuesta para neutralizar a sus compañeros. En octubre de 2019, el grupo signos reportados de un condensado de excitón a 100 kelvins templados. En esta configuración, los excitones persistieron durante decenas de nanosegundos, toda una vida para este tipo de cuasipartículas. En el otoño de 2021, el grupo describió un aparato mejorado donde los excitones parecen durar milisegundos, lo que Mak llamó "prácticamente para siempre".
El equipo ahora está persiguiendo un esquema inventado por teóricos en 2008 para crear una corriente de excitón. allan macdonald, un destacado teórico de la materia condensada de la Universidad de Texas, Austin, y su estudiante de posgrado Jung-Jung Su propusieron hacer que los excitones neutros fluyan aplicando un campo eléctrico orientado de manera que anime tanto a los electrones como a los huecos a moverse en la misma dirección. Para lograrlo en el laboratorio, el grupo de Cornell debe enfrentarse una vez más a su eterno enemigo, los contactos eléctricos. En este caso, deben unir múltiples conjuntos de electrodos a las capas de TMD, algunos para fabricar los excitones y otros para moverlos.
Shan y Mak creen que están en camino de lograr que los excitones fluyan a hasta 100 Kelvin pronto. Esa es una habitación gélida para una persona (−173 grados Celsius o −280 grados Fahrenheit), pero es un gran salto desde las condiciones de nanokelvin que necesitan la mayoría de los condensados bosónicos.
"Eso será en sí mismo un buen logro", dijo Mak con una sonrisa astuta, "aumentar la temperatura mil millones de veces".
Materiales mágicos de muaré
En 2018, mientras el laboratorio de Cornell intensificaba sus experimentos con TMD, otra sorpresa con el grafeno lanzó una segunda revolución de materiales 2D. Pablo Jarillo Herrero, un investigador del MIT y otro alumno de Columbia, anunció que torciendo una capa de grafeno con respecto a la capa inferior creó un nuevo material 2D mágico. El secreto consistía en dejar caer la capa superior de modo que sus hexágonos cayeran con un ligero "giro", de modo que giraran exactamente 1.1 grados contra los hexágonos de abajo. Esta desalineación del ángulo provoca un desplazamiento entre los átomos que crece y se contrae a medida que se mueve a través de un material, generando un patrón repetitivo de grandes "supercélulas" conocido como superred moiré. MacDonald y un colega habían calculado en 2011 que en el "ángulo mágico" de 1.1 grados, la estructura cristalina única de la superred obligaría a los electrones del grafeno a reducir la velocidad y sentir la repulsión de sus vecinos.
Cuando los electrones se vuelven conscientes unos de otros, suceden cosas extrañas. En aislantes, conductores y semiconductores normales, se cree que los electrones interactúan solo con la red de átomos; corren demasiado rápido como para darse cuenta. Pero ralentizados a paso de tortuga, los electrones pueden empujarse entre sí y asumir colectivamente una variedad de estados cuánticos exóticos. Los experimentos de Jarillo-Herrero demostraron que, para mal entendido razones, esta comunicación de electrón a electrón en el grafeno de ángulo mágico retorcido da lugar a un forma especialmente fuerte de superconductividad.
La superred de grafeno moiré también presentó a los investigadores una forma radicalmente nueva de controlar los electrones. En la superred, los electrones se olvidan de los átomos individuales y experimentan las propias supercélulas como si fueran átomos gigantes. Esto facilita poblar las supercélulas con suficientes electrones para formar estados cuánticos colectivos. Usando un campo eléctrico para aumentar o disminuir el número promedio de electrones por supercélula, el grupo de Jarillo-Herrero pudo hacer que su dispositivo de grafeno bicapa torcido sirviera como superconductor, actuara como un aislante, o mostrar un balsa de otros, comportamientos extraños de electrones.
Físicos de todo el mundo se lanzaron al incipiente campo de la "twistrónica". Pero muchos han descubierto que torcer es difícil. Los átomos no tienen ninguna razón para caer perfectamente en la desalineación "mágica" de 1.1 grados, por lo que las láminas se arrugan de formas que cambian por completo sus propiedades. Xia, la estudiante graduada de Cornell, dijo que tiene un montón de amigos en otras universidades que trabajan con dispositivos retorcidos. Crear un dispositivo que funcione normalmente les lleva decenas de intentos. E incluso entonces, cada dispositivo se comporta de manera diferente, por lo que los experimentos específicos son casi imposibles de repetir.
Los TMD presentan una forma mucho más fácil de crear superredes moiré. Debido a que diferentes TMD tienen entramados hexagonales de diferentes tamaños, apilar un entramado de hexágonos ligeramente más grandes sobre un entramado más pequeño crea un patrón muaré tal como lo hace la desalineación del ángulo. En este caso, debido a que no hay rotación entre las capas, es más probable que la pila encaje en su lugar y permanezca quieta. Cuando Xia se propone crear un dispositivo moiré TMD, dijo, generalmente tiene éxito cuatro de cada cinco veces.
Los materiales TMD moiré son ideales para explorar las interacciones de los electrones. Debido a que los materiales son semiconductores, sus electrones se vuelven pesados a medida que avanzan a través de los materiales, a diferencia de los frenéticos electrones del grafeno. Y las gigantescas células muaré las ralentizan aún más: mientras que los electrones a menudo se mueven entre átomos por "tunelización", un comportamiento mecánico cuántico similar a la teletransportación, la tunelización rara vez ocurre en una red muaré, ya que las supercélulas se encuentran aproximadamente 100 veces más separadas que los átomos dentro de ellas. . La distancia ayuda a que los electrones se asienten y les da la oportunidad de conocer a sus vecinos.
El amistoso rival de Shan y Mak, Feng Wang, fue uno de los primeros en reconocer el potencial de las superredes TMD muaré. Los cálculos preliminares sugirieron que estos materiales deberían dar lugar a una de las formas más simples en que los electrones pueden organizarse: un estado conocido como cristal de Wigner, donde la repulsión mutua bloquea los electrones letárgicos en su lugar. El equipo de Wang vio signos de tales estados en 2020 y publicado la primera imagen de electrones que se sostienen entre sí a la distancia de un brazo en Naturaleza en 2021. Para entonces, la noticia de las actividades moiré TMD de Wang ya se había extendido a través de la comunidad de física 2D unida, y la fábrica TMD de Cornell estaba produciendo sus propios dispositivos moiré TMD. Shan y Mak también reportaron evidencia de cristales de Wigner en superredes TMD en 2020 y descubrieron en unos meses que los electrones en sus dispositivos podrían cristalizar en casi dos docenas de diferentes patrones de cristal Wigner.
Al mismo tiempo, el grupo de Cornell también estaba elaborando materiales moiré TMD en una herramienta eléctrica. MacDonald y colaboradores había predicho en 2018 que estos dispositivos tienen la combinación adecuada de características técnicas para que representen a la perfección uno de los modelos de juguete más importantes en la física de la materia condensada. El modelo de Hubbard, como se le llama, es un sistema teorizado que se utiliza para comprender una amplia variedad de comportamientos de electrones. propuesto de forma independiente por Martin Gutzwiller, Junjiro Kanamori y John Hubbard en 1963, el modelo es el mejor intento de los físicos para reducir la variedad prácticamente infinita de redes cristalinas hasta sus características más esenciales. Imagina una cuadrícula de átomos que albergan electrones. El modelo de Hubbard asume que cada electrón siente dos fuerzas en competencia: quiere moverse haciendo un túnel hacia los átomos vecinos, pero también es rechazado por sus vecinos, lo que hace que quiera quedarse donde está. Surgen diferentes comportamientos dependiendo de cuál es el deseo más fuerte. El único problema con el modelo de Hubbard es que, excepto en el caso más simple, una cadena de átomos 1D, es matemáticamente irresoluble.
Según MacDonald y sus colegas, los materiales moiré de TMD podrían actuar como "simuladores" del modelo de Hubbard, resolviendo potencialmente algunos de los misterios más profundos del campo, como la naturaleza del pegamento que une los electrones en pares superconductores en los cupratos. En lugar de luchar con una ecuación imposible, los investigadores podrían soltar electrones en un sándwich TMD y ver qué hacían. “Podemos escribir este modelo, pero es muy difícil responder muchas preguntas importantes”, dijo MacDonald. “Ahora podemos hacerlo simplemente haciendo un experimento. Eso es realmente innovador”.
Para construir su modelo de simulador Hubbard, Shan y Mak apilaron capas de diseleniuro de tungsteno y sulfuro de tungsteno para crear una superred de muaré, y conectaron electrodos para aumentar o disminuir un campo eléctrico que pasa a través del sándwich TMD. El campo eléctrico controlaba cuántos electrones llenarían cada supercélula. Dado que las células actúan como átomos gigantes, pasar de un electrón a dos electrones por supercélula fue como transformar una red de átomos de hidrógeno en una red de átomos de helio. en su publicación inicial del modelo Hubbard in Naturaleza en marzo de 2020 informaron haber simulado átomos con hasta dos electrones; hoy, pueden subir hasta ocho. En cierto sentido, se habían dado cuenta del antiguo objetivo de convertir el plomo en oro. “Es como afinar la química”, dijo Mak, “pasar por la tabla periódica”. En principio, incluso pueden evocar una cuadrícula de átomos ficticios con, digamos, 1.38 electrones cada uno.
A continuación, el grupo miró a los corazones de los átomos artificiales. Con más electrodos, podrían controlar el “potencial” de las supercélulas haciendo cambios similares a agregar protones positivos a los centros de los átomos sintéticos gigantes. Cuanta más carga tiene un núcleo, más difícil es para los electrones escapar, por lo que este campo eléctrico les permite subir y bajar la tendencia a los saltos.
El control de Mak y Shan sobre los átomos gigantes, y por lo tanto el modelo de Hubbard, estaba completo. El sistema TMD moiré les permite invocar una red de átomos sucedáneos, incluso aquellos que no existen en la naturaleza, y transformarlos suavemente como lo deseen. Es un poder que, incluso para otros investigadores en el campo, bordea lo mágico. “Si tuviera que destacar su esfuerzo más emocionante e impresionante, ese es el indicado”, dijo Kim.
El grupo de Cornell utilizó rápidamente sus átomos de diseño para resolver un debate de 70 años. La pregunta era: ¿Qué pasaría si pudieras tomar un aislante y modificar sus átomos para convertirlo en un metal conductor? ¿El cambio ocurriría de manera gradual o abrupta?
Con su alquimia moiré, Shan y Mak llevaron a cabo el experimento mental en su laboratorio. Primero simularon átomos pesados, que atraparon electrones para que la superred TMD actuara como un aislante. Luego encogieron los átomos, debilitando la trampa hasta que los electrones pudieron saltar hacia la libertad, dejando que la superred se convirtiera en un metal conductor. Al observar una resistencia eléctrica que caía gradualmente a medida que la superred actuaba cada vez más como un metal, demostraron que la transición no es abrupta. Este hallazgo, que anunciaron in Naturaleza el año pasado, abre la posibilidad de que los electrones de la superred puedan lograr un tipo de fluidez largamente buscado conocido como líquido de espín cuántico. “Ese puede ser el problema más interesante que uno puede abordar”, dijo Mak.
Casi al mismo tiempo, la pareja tuvo suerte con lo que algunos físicos consideran su descubrimiento más significativo hasta el momento. “En realidad fue un accidente total”, dijo Mak. “Nadie lo esperaba”.
Cuando comenzaron su investigación con el simulador Hubbard, los investigadores utilizaron sándwiches TMD en los que los hexágonos de las dos capas están alineados, con metales de transición sobre metales de transición y calcogenuros sobre calcogenuros. (Fue entonces cuando descubrieron la transición gradual de aislante a metal). Luego, casualmente, repitieron el experimento con dispositivos en los que la capa superior se había apilado hacia atrás.
Como antes, la resistencia comenzó a caer cuando los electrones comenzaron a saltar. Pero luego se hundió abruptamente, bajando tanto que los investigadores se preguntaron si el muaré había comenzado a ser superconductor. Explorando más a fondo, sin embargo, ellos midió un patrón raro de resistencia conocido como el efecto Hall anómalo cuántico, prueba de que algo aún más extraño estaba sucediendo. El efecto indicó que la estructura cristalina del dispositivo obligaba a los electrones a lo largo del borde del material a actuar de manera diferente a los del centro. En el medio del dispositivo, los electrones quedaron atrapados en un estado aislante. Pero alrededor del perímetro, fluían en una dirección, lo que explica la resistencia súper baja. Por accidente, los investigadores habían creado un tipo de materia extremadamente inusual y frágil conocido como aislante de Chern.
El efecto Hall anómalo cuántico, observado por primera vez en 2013, generalmente se desmorona si la temperatura sube por encima de unas pocas centésimas de kelvin. En 2019, el grupo de Young en Santa Bárbara lo había visto en un sándwich de grafeno retorcido único alrededor de 5 kelvin. Ahora, Shan y Mak habían logrado el efecto casi a la misma temperatura, pero en un dispositivo TMD sin torsión que cualquiera puede recrear. “El nuestro tenía una temperatura más alta, pero tomaré el de ellos cualquier día porque pueden hacerlo 10 veces seguidas”, dijo Young. Eso significa que puedes entenderlo "y usarlo para hacer algo".
Mak y Shan creen que, con un poco de manipulación, pueden usar materiales de muaré TMD para construir aisladores de Chern que sobreviven a 50 o 100 Kelvin. Si tienen éxito, el trabajo podría conducir a otra forma de hacer que la corriente fluya sin resistencia, al menos para pequeños "nanocables", que incluso pueden encenderse y apagarse en lugares específicos dentro de un dispositivo.
Exploración en Planilandia
A pesar de que los resultados históricos se acumulan, la pareja no muestra signos de desaceleración. El día que lo visité, Mak observó cómo los estudiantes jugaban con un enorme refrigerador de dilución que les permitiría enfriar sus dispositivos a temperaturas mil veces más frías que las que han usado hasta ahora. Ha habido tanta física por descubrir en condiciones "más cálidas" que el grupo no ha tenido la oportunidad de buscar a fondo el reino criogénico más profundo en busca de signos de superconductividad. Si el superrefrigerador permite que los TMD se superconduzcan, eso responderá a otra pregunta, mostrando que una forma de magnetismo intrínseco a los cupratos (pero ausente de los TMD) no es un ingrediente esencial del pegamento de unión a electrones. “Es como matar uno de los componentes importantes que los teóricos realmente querían matar durante mucho tiempo”, dijo Mak.
Él, Shan y su grupo ni siquiera han comenzado a experimentar con algunos de los TMD más divertidos. Después de pasar años inventando el equipo necesario para moverse por el continente de materiales 2D, finalmente se están preparando para aventurarse más allá de la cabeza de playa de disulfuro de molibdeno en la que aterrizaron en 2010.
Los dos investigadores atribuyen su éxito a una cultura de cooperación que absorbieron en Columbia. La colaboración inicial con Hone que les presentó el disulfuro de molibdeno, dicen, fue solo una de las muchas oportunidades que disfrutaron porque eran libres de seguir su curiosidad. “No teníamos que discutir” sus planes con Heinz, el jefe de su laboratorio, dijo Shan. “Hablamos con gente de otros grupos. Hicimos los experimentos. Incluso terminamos las cosas”.
Hoy en día, fomentan un ambiente relajado similar en Cornell, donde supervisan un par de docenas de posdoctorados, investigadores visitantes y estudiantes, todos los cuales son en gran parte libres de hacer lo que quieran. “Los estudiantes son muy inteligentes y tienen buenas ideas”, dijo Mak. “A veces no quieres interferir”.
Su matrimonio también hace que su laboratorio sea único. Los dos han aprendido a apoyarse en sus fortalezas personales. Además de una abundancia de creatividad como experimentalista, Shan posee una disciplina cuidadosa que la convierte en una buena gerente; Mientras los tres hablábamos, con frecuencia empujaba al “Profesor Fai” para que volviera a encarrilarse cuando su entusiasmo por la física lo empujaba demasiado a los tecnicismos. Mak, por su parte, disfruta trabajar junto a los investigadores principiantes, tanto dentro como fuera del laboratorio. Recientemente comenzó a escalar rocas con el grupo. “Parece que su laboratorio es su familia”, dijo Young. Shan y Mak me dijeron que logran más juntos que solos. “Uno más uno es más que dos”, dijo Mak.
Los dispositivos que están construyendo también pueden acumularse para ser más que la suma de sus partes. A medida que los investigadores unen hojas de TMD para crear excitones y superredes de muaré, especulan sobre cómo las nuevas formas de domesticar electrones podrían potenciar la tecnología. Incluso si la superconductividad de bolsillo sigue siendo esquiva, los condensados de Bose-Einstein podrían conducir a sensores cuánticos ultrasensibles, y un mejor control de los aisladores tipo Chern podría permitir poderosas computadoras cuánticas. Y esas son solo las ideas obvias. Las mejoras incrementales en la ciencia de los materiales a menudo se suman a aplicaciones radicales que pocos vieron venir. Los investigadores que desarrollaron el transistor, por ejemplo, habrían tenido dificultades para predecir teléfonos inteligentes alimentados por miles de millones de interruptores microscópicos metidos en un chip del tamaño de una uña. Y los científicos que se esforzaron por fabricar fibras de vidrio que pudieran transportar luz a través de su banco de laboratorio no podrían haber previsto que fibras ópticas submarinas de 10,000 kilómetros algún día unirían continentes. Los materiales bidimensionales pueden evolucionar en direcciones igualmente impredecibles. “Una plataforma de materiales realmente nueva genera sus propias aplicaciones en lugar de desplazar los materiales existentes”, dijo Heinz.
Mientras me llevaban a la parada de autobús de Ithaca, Shan y Mak me contaron sobre unas vacaciones recientes (y raras) que tomaron en Banff, Canadá, donde una vez más demostraron su habilidad para tropezar con sorpresas a través de una combinación de esfuerzo y suerte. Habían pasado días tratando, en vano, de detectar un oso. Luego, al final del viaje, de camino al aeropuerto, se detuvieron a estirar las piernas en una reserva botánica y se encontraron cara a cara con un oso negro.
De manera similar, con la física de la materia condensada, su enfoque es deambular juntos por un nuevo paisaje y ver qué aparece. “No tenemos mucha orientación teórica, pero simplemente hacemos el tonto y jugamos con los experimentos”, dijo Mak. “Puede fallar, pero a veces puedes toparte con algo muy inesperado”.
