Molübdeniit tundub isegi haritud silmale peaaegu identne grafiidiga - läikiv hõbedane kristall. See toimib samuti, eemaldades helbed viisil, mis oleks hea pliiatsitäidisega. Kuid elektroni jaoks moodustavad kaks aatomivõrku erinevad maailmad. See eristus jõudis esimest korda teaduslikesse registritesse 244 aastat tagasi. Hapniku avastamise poolest tuntud Rootsi keemik Carl Scheele uputas iga mineraali erinevatesse hapetesse ja jälgis õhku paisuvaid koledaid gaasipilvi. Scheele, kes maksis selle lähenemise eest lõpuks oma eluga, surres kahtlustatavasse raskmetallimürgitusse 43-aastaselt, järeldas, et molübdeniit on uus aine. Kirjeldades seda 1778. aastal Rootsi Kuninglikule Teaduste Akadeemiale saadetud kirjas, kirjutas ta: „Ma ei viita siin üldtuntud grafiidile, mida saab apteegist hankida. See siirdemetall näib olevat tundmatu.
Molübdeniidist sai 20. sajandil populaarne määrdeaine, kuna see kaldus helvema pulbrilisteks tükkideks. See aitas suuskadel lumest kaugemale libiseda ja silus Vietnamis püssitorudest kuulide väljumist.
Tänapäeval õhutab see sama ebaühtlus füüsikarevolutsiooni.
Läbimurded algasid grafiidist ja teibist. Teadlased avastasid 2004. aastal juhuslikult, et nad saavad kasutada teipi vaid ühe aatomi paksuste grafiidihelveste eemaldamiseks. Nendel kristallilistel lehtedel, millest igaüks oli süsinikuaatomite lame hulk, olid hämmastavad omadused, mis erinesid radikaalselt nende kolmemõõtmeliste kristallide omadustest, millest need pärinevad. Grafeen (nagu selle avastajad seda nimetasid) oli täiesti uus ainekategooria - 2D-materjal. Selle avastus muutis kondenseeritud aine füüsikat, füüsika haru, mis püüab mõista mateeria paljusid vorme ja käitumist. Peaaegu pool kõigist füüsikutest on kondenseeritud aine füüsikud; see on alamväli, mis tõi meile arvutikiibid, laserid, LED-pirnid, MRI-seadmed, päikesepaneelid ja kõikvõimalikud kaasaegsed tehnoloogilised imed. Pärast grafeeni avastamist hakkasid tuhanded kondenseerunud aine füüsikud uut materjali uurima, lootes, et see toetab tulevasi tehnoloogiaid.
Grafeeni avastajad said 2010. aastal Nobeli füüsikaauhinna. Samal aastal andsid Columbia ülikooli kaks noort füüsikut Jie Shan ja Kin Fai Mak, nägi märke, et molübdeniidi helbed võivad olla veelgi maagilisemad kui grafeen. Vähemtuntud mineraalil on omadused, mis muudavad selle uurimise raskeks – paljude laborite jaoks liiga raskeks –, kuid see võlus Shani ja Maki. Vastupidav duo pühendas peaaegu kümme aastat 2D-molübdeniidi (või molübdeendisulfiidi, nagu nimetatakse kristalli laboris kasvatatud versiooni) ja tihedalt seotud 2D-kristallide perekonna kaklemisele.
Nüüd tasub nende pingutus end ära. Shan ja Mak, kes on nüüd abielus ja juhivad Cornelli ülikoolis ühist uurimisrühma, on näidanud, et molübdeendisulfiidi ja selle sugulaste 2D-kristallid võivad põhjustada tohutul hulgal eksootilisi kvantnähtusi. "See on hull mänguväljak," ütles James Hone, Columbia teadlane, kes varustab Cornelli laborit kvaliteetsete kristallidega. "Saate teha kogu kaasaegse kondenseeritud aine füüsika ühes materjalisüsteemis."
Shani ja Maki rühm on püüdnud kinni elektronid, mis nendes lamedates kristallides käituvad enneolematult. Nad on osakesed sulandunud kvantvedelikuks ja külmunud jääsarnasteks struktuurideks. Nad on õppinud kokku panema hiiglaslike tehisaatomite võre, mis on praegu mateeria põhiteooriate katsealusteks. Alates Cornelli labori avamisest 2018. aastal on elektronide taltsutajad avaldanud kaheksa silmapaistvat artiklit. loodus, prestiižseim teadusajakiri, aga ka terve hulk muid artikleid. Teoreetikud ütlevad, et paar laiendab arusaama sellest, milleks elektronide massid on võimelised.
Nende uurimus "on mitmes aspektis sügavalt muljetavaldav," ütles Philip Kim, silmapaistev kondenseerunud aine füüsik Harvardi ülikoolis. "See on, ma ütleksin, sensatsiooniline."
2D materjalide tõus
Materjali omadused peegeldavad üldiselt seda, mida selle elektronid teevad. Näiteks juhtides, nagu metallid, sõidavad elektronid kergesti aatomite vahel, kandes elektrit. Isolaatorites nagu puit ja klaas jäävad elektronid paigale. Pooljuhid, nagu räni, jäävad nende vahele: nende elektrone saab sundida liikuma energia sissevooluga, mistõttu on need ideaalsed voolude sisse- ja väljalülitamiseks – transistori tööks. Viimase 50 aasta jooksul on kondenseerunud aine füüsikud peale nende kolme elektronide põhikäitumise näinud kergeid laetud osakesi käitumas palju eksootilisemal viisil.
Üks dramaatilisemaid üllatusi tuli 1986. aastal, kui kaks IBMi teadlast Georg Bednorz ja Alex Müller tuvastatud elektronide vool, mis liigub läbi vaskoksiidi (“kupraat”) kristalli ilma igasuguse takistuseta. Seda ülijuhtivust – elektri võimet voolata täiusliku efektiivsusega – oli nähtud varemgi, kuid ainult hästi mõistetavatel põhjustel materjalides, mis on jahutatud mõne absoluutse nullkraadi täpsusega. Seekord jälgisid Bednorz ja Müller nähtuse salapärast vormi, mis püsis rekordilise 35 kelvini juures (st 35 kraadi üle absoluutse nulli). Teadlased avastasid peagi ka teisi kupraate, mis juhivad üle 100 kelvini. Sündis unistus, mis jääb võib-olla ka tänapäeval kondenseerunud aine füüsika eesmärgiks number üks: leida või konstrueerida aine, mis suudab meie kuumas, ligikaudu 300-kelvinilises maailmas elektrit ülijuhtida, võimaldades kadudeta elektriliine, leviteerivaid sõidukeid ja muid ülitõhusaid seadmeid. vähendaks oluliselt inimkonna energiavajadust.
Ülijuhtivuse võti seisneb elektronide koaksimises, mis tavaliselt üksteist tõrjuvad, siduda ja moodustada üksusi, mida nimetatakse bosoniteks. Bosonid võivad seejärel kollektiivselt sulada hõõrdumiseta kvantvedelikuks. Bosoneid tekitavad atraktiivsed jõud, nagu aatomi vibratsioon, suudavad tavaliselt elektronide tõukejõu ületada ainult krüogeensetel temperatuuridel või kõrge rõhk. Kuid vajadus nende äärmuslike tingimuste järele on takistanud ülijuhtivuse leidmist igapäevastesse seadmetesse. Kupraatide avastamine tekitas lootust, et õige aatomvõre suudab elektronid nii tugevasti kokku liimida, et need jäävad isegi toatemperatuuril kinni.
40 aastat pärast Bednorzi ja Mülleri leidmist pole teoreetikud ikka veel täiesti kindlad, kuidas kupraatides sisalduv liim toimib, veel vähem, kuidas materjale selle tugevdamiseks kohandada. Seega on suur osa kondenseerunud aine füüsika uurimistööst katse-eksituse meetod jaht kristallidele, mis suudavad elektrone paaris hoida või elektrone muul imelisel viisil karjatada. "Kondenseeritud aine on füüsika haru, mis võimaldab serendipite," ütles Kim. Selline oli 2004. aasta 2D materjalide avastamine.
Andre Geim ja Konstantin Novoseloviga, töötab grafiidiga Ühendkuningriigis Manchesteri ülikoolis, avastasin materjali kihilisuse šokeeriv tagajärg. Grafiidikristall sisaldab süsinikuaatomeid, mis on paigutatud kuusnurkade lõdvalt seotud lehtedeks. Teoreetikud olid juba ammu ennustanud, et ilma virna stabiliseeriva mõjuta lõhuvad kuumuse tekitatud vibratsioonid ühekihilise lehe. Kuid Geim ja Novoselov leidsid, et nad suudavad eemaldada stabiilseid, aatomilt õhukesi lehti, millel on pisut enamat kui Scotch teip ja püsivus. Grafeen oli esimene tõeliselt lame materjal - tasapind, millel elektronid saavad ringi libiseda, kuid mitte üles-alla.
Columbia füüsik Hone avastas, et maailma kõige õhem materjal on kuidagi ka kõige tugevam. See oli märkimisväärne ärritus materjali jaoks, mis teoreetikute arvates ei sobiks üldse kokku.
Grafeeni puhul huvitas füüsikuid enim see, kuidas süsiniku tasandik elektrone muundas: miski ei suutnud neid aeglustada. Elektronid komistavad sageli aatomite võre poolt, mille kaudu nad liiguvad, toimides raskemini kui nende õpiku mass (isolaatori liikumatud elektronid toimivad nii, nagu neil oleks lõpmatu mass). Grafeeni lame võre laseb aga elektronidel vuliseda miljon meetrit sekundis – vaid paarsada korda aeglasemalt kui valguse kiirus. Sellel konstantsel villilisel kiirusel lendasid elektronid nii, nagu poleks neil üldse massi, õnnistades grafeeni äärmise (kuigi mitte super) juhtivusega.
Imematerjali ümber tekkis terve põld. Teadlased hakkasid ka laiemalt mõtlema. Kas teiste ainete 2D-helvestel võib olla omaenda supervõimeid? Hone oli nende seas, kes hargnesid. 2009. aastal mõõtis ta grafiidi doppelgängeri, molübdeendisulfiidi mõningaid mehaanilisi omadusi ja seejärel andis kristalli edasi kahele Tony Heinzi Columbia labori optikaspetsialistile. See oli juhuslik samm, mis muutis kõigi asjaosaliste karjääri.
Molübdeendisulfiidi proov sattus oma karjääri alguses külalisprofessor Jie Shani ja magistrandi Kin Fai Maki kätte. Noor duo uuris, kuidas grafeen valgusega suhtleb, kuid nad olid juba hakanud unistama muudest materjalidest. Grafeeni kiired elektronid muudavad selle fantastiliseks juhiks, kuid nad tahtsid 2D-pooljuhti – materjali, mille elektronide voo nad saaksid sisse ja välja lülitada ning mis võiks seetõttu toimida transistorina.
Molübdeendisulfiid oli teadaolevalt pooljuht. Ja Shan ja Mak avastasid peagi, et sarnaselt grafiidiga sai see 2D-s lisajõude. Kui nad suunasid laseriga "molydisulfiidi" (nagu nad seda hellitavalt kutsuvad) 3D-kristallidele, jäid kristallid tumedaks. Kuid kui Shan ja Mak lõid teibiga kihte maha, lõid neid laseriga ja uurisid neid mikroskoobi all, nägid nad 2D-lehti eredalt säramas.
Teiste rühmade uuringud kinnitavad hiljem, et hästi valmistatud tihedalt seotud materjali lehed peegeldavad iga viimast footonit, mis neid tabab. "See on omamoodi mõtlemapanev," ütles Mak hiljuti, kui kohtusin tema ja Shaniga nende ühises kontoris Cornellis. "Teil on ainult üks aatomileht ja see võib peegeldada 100% valgust nagu täiuslik peegel." Nad mõistsid, et see omadus võib viia suurejooneliste optiliste seadmeteni.
Sõltumatult Feng Wang, California Berkeley ülikooli füüsik, tegi sama avastuse. Kogukonna tähelepanu köitis 2D-materjal, mis oli hästi peegeldav ja käivitatav pooljuht. Mõlemad rühmade avaldas oma leiud 2010. aastal; lehed on vahepeal saanud üle 16,000 2 tsitaadi. "Kõik, kellel on laserid, hakkasid XNUMXD-materjalide vastu väga huvi tundma, " ütles Hone.
Tuvastades molidisulfiidi teise 2D-imeainena, olid need kaks rühma jõudnud 2D-materjalide tervele mandrile. Molydisulfiid kuulub ainete perekonda, mida tuntakse siirdemetallide dikalkogeniididena (TMD), milles perioodilisustabeli metallilise keskmise piirkonna aatomid, nagu molübdeen, on seotud keemiliste ühendite paaridega, mida tuntakse kalkogeniididena, näiteks väävliga. Molydisulfiid on ainus looduslikult esinev TMD, kuid neid on veel kümneid mida teadlased saavad laborites segi ajada – volframdisulfiid, molübdeenditelluriid ja nii edasi. Enamik moodustab nõrgalt köidetud lehti, muutes need vastuvõtlikuks lindi tüki äripoolele.
Esialgne põnevilaine vaibus aga peagi, kuna teadlastel oli raskusi selle nimel, et TMD-d teeksid rohkem kui särama. Näiteks Wangi rühm langes tagasi grafeenile pärast seda, kui avastas, et nad ei saa kergesti metallelektroode molidisulfiidi külge kinnitada. "See on olnud meie grupi komistuskiviks juba mitu aastat," ütles ta. "Isegi praegu ei oska me kontakti luua." Tundus, et TMD-de peamine eelis grafeeni ees oli ka nende suurim nõrkus: materjali elektrooniliste omaduste uurimiseks peavad teadlased sageli sellesse suruma elektrone ja mõõtma tekkiva voolu takistust. Kuid kuna pooljuhid on halvad juhid, on elektrone raske sisse või välja saada.
Mak ja Shan tundsid end alguses ambivalentsena. "Oli tõesti ebaselge, kas peaksime jätkama tööd grafeeniga või alustama tööd selle uue materjaliga," ütles Mak. "Kuid kuna leidsime, et sellel on see kena omadus, jätkasime veel mõne katse tegemist."
Töö käigus lummasid kaks teadlast üha enam molidisulfiid ja üksteist. Algselt olid nende kontaktid professionaalsed, piirdudes suures osas teadustööle suunatud meilidega. "Fai küsis sageli:" Kus see seade on? Kuhu sa selle panid?'' ütles Shan. Kuid lõpuks muutus nende suhe, mida inkubeeris pikki tunde ja mida katalüüsis eksperimentaalne edu, romantiliseks. "Me nägime üksteist liiga sageli, sõna otseses mõttes samas laboris sama projekti kallal," ütles Mak. "Meid rõõmustas ka väga hästi toimiv projekt."
Kogu füüsika kogu aeg
Vaja on partnerlust kahe pühendunud, raudse distsipliiniga füüsiku vahel, et tülikad TMD-d kannale tuua.
Akadeemikud tulid Shani juurde alati kergesti. Ta kasvas üles 1970. aastatel rannikuäärses Zhejiangi provintsis. Ta oli staarüliõpilane, saavutas suurepäraselt matemaatika, loodusteaduste ja keele ning teenis ihaldusväärse koha Hiina teaduse ja tehnoloogia ülikoolis Hefeis. Seal kvalifitseerus ta Hiina ja Nõukogude Liidu vahelise valikulise kultuurivahetuse programmi ning ta avanes võimaluse õppida Moskva Riiklikus Ülikoolis vene keelt ja füüsikat. "Kui olete teismeline, tahate maailma avastada," ütles ta. "Ma ei kõhelnud."
Kohe nägi ta maailmast rohkem, kui oli kaubelnud. Viisaprobleemid lükkasid tema Venemaale saabumise mõne kuu võrra edasi ja ta kaotas koha keeleprogrammis. Võimud leidsid talle teise kursuse ning varsti pärast Moskvas maandumist istus ta rongile ja sõitis 5,000 kilomeetrit itta. Kolm päeva hiljem saabus ta talve hakul keset Siberit Irkutski linna. "Nõuanne, mille sain, oli: "Ärge kunagi puudutage midagi ilma kinnasteta", et ta ei takerduks," ütles ta.
Shan hoidis kindaid käes, õppis ühe semestri jooksul vene keele ära ja hakkas hindama talvise maastiku karmi ilu. Kui kursus lõppes ja lumi sulas, naasis ta pealinna, et alustada oma füüsikaõpet, jõudes Moskvasse 1990. aasta kevadel, Nõukogude Liidu lagunemise ajal.
Need olid kaootilised aastad. Shan nägi ülikooli lähedal tänavatel veeremas tanke, kui kommunistid üritasid valitsuse üle kontrolli tagasi saada. Teisel korral, vahetult pärast lõpueksamit, puhkes kaklus. "Me kuulsime tulistamist ja meil kästi ühiselamus tuled välja lülitada," ütles ta. Kõik, alates toidust kuni tualettpaberini, määrati kupongisüsteemi kaudu. Sellegipoolest tundis Shan inspireerituna oma professorite vastupidavusest, kes jätkasid oma uurimistööd vaatamata segadustele. "Tingimused olid karmid, kuid paljudel teadlastel oli selline suhtumine. Nad tõesti armastavad seda, mida nad teevad, hoolimata sellest, mis toimub, ”ütles ta.
Maailmakorra kokkuvarisemisel paistis Shan silma, avaldades teoreetilise optikapaberi, mis jäi Heinzile Columbias silma. Ta julgustas teda kandideerima ja ta asus elama New Yorki, kus ta aitas aeg-ajalt teistel rahvusvahelistel üliõpilastel võõras riigis jalga lasta. Ta värbas Wangi näiteks Heinzi laborisse tööle ja jagas eksperimentaalseid näpunäiteid. "Ta õpetas mulle, kuidas olla kannatlik," ütles ta, ja "kuidas laseriga mitte pettuda."
Enamik teadlasi asub pärast doktorikraadi omandamist järeldoktorantuuriks, kuid Shan liitus Case Western Reserve'i ülikooliga otse dotsendina 2001. aastal. Mitu aastat hiljem naasis ta hingamispuhkusel Heinzi laborisse Columbias. Ükskord oli tema ajastus juhuslik. Ta alustas koostööd võluva ja särasilmse kraadiõppuriga Heinzi rühmas Kin Fai Mak.
Mak oli New Yorki läinud teistsugust, vähem segast teed. Hongkongis üles kasvades nägi ta koolis vaeva, kuna peale füüsika oli tema jaoks vähe mõtet. "See oli ainus asi, mis mulle meeldib ja milles ma tegelikult hea olin, nii et valisin füüsika," ütles ta.
Tema bakalaureusetöö Hongkongi ülikoolis paistis silma ja Heinz värbas ta liituma Columbia õitseva kondenseeritud aine füüsika programmiga. Seal tegeles ta uurimistööga, veetes peaaegu kõik oma ärkveloleku tunnid laboris, välja arvatud aeg-ajalt mängides intramuraalset jalgpalli. Andrea Young, kaasüliõpilane (praegu Santa Barbara California ülikooli abiprofessor), jagas Makiga korterit West 113. tänaval. “Mul vedas, kui sain ta öösel kell 2 kätte, et ta pastat keeta ja füüsikast rääkida. See oli kogu aeg füüsika,” rääkis Young.
Kuid head ajad ei kestnud. Vahetult pärast ekskursiooni Colombias Amazonase vihmametsas koos Youngiga jäi Mak haigeks. Tema arstid ei teadnud, mida tema mõistatuslikest testitulemustest arvata, ja ta jäi haigemaks. Õnnelik kokkusattumus päästis ta elu. Young kirjeldas olukorda oma meditsiiniteadlasest isale, kes tundis kohe ära aplastilise aneemia tunnused – ebatavaline verehaigus, mis juhtus olema tema enda uurimistöö objektiks. "Kõigepealt haigestub see haigus tõesti harva," ütles Mak. "Ja veelgi harvem haigestuda haigusesse, milles teie toakaaslase isa on ekspert."
Youngi isa aitas Makil registreeruda eksperimentaalsetele ravimeetoditele. Ta veetis suure osa oma kraadiõppe viimasest aastast haiglas ja oli mitu korda surma lähedal. Kogu katsumuse ajal ajendas Maki kiindumus füüsika vastu teda tööd jätkama. "Ta kirjutas PRL kirjad oma haiglavoodist,” ütles Young ajakirjale viidates Physical Review Letters. "Sellele kõigele vaatamata oli ta üks produktiivsemaid õpilasi üldse," ütles Heinz. "See oli midagi imelist."
Edasine ravi aitas Makil lõpuks täielikult taastuda. Young, kes on ise tuntud eksperimentalist, irvitas hiljem oma sekkumiste kohta: "Sõprade seas nimetan seda oma suurimaks panuseks füüsikasse."
2D kõrbes
Mak kolis Cornelli järeldoktorina 2012. aastal, selleks ajaks oli Shan juba Case Westerni naasnud. Nad teostasid üksikuid projekte grafeeni ja muude materjalidega, kuid jätkasid ka TMD-de edasiste saladuste avamist koos.
Cornellis õppis Mak elektronide transpordi mõõtmise kunsti, mis on peale optika veel üks peamine viis elektronide liikumise ennustamiseks. Need teadmised tegid temast ja Shanist kahekordse ohu valdkonnas, kus teadlased on tavaliselt spetsialiseerunud ühele või teisele tüübile. "Alati, kui ma kohtun Fai ja Jiega, kurdan: "See on ebaõiglane, te transpordite," ütles Kim. "Mida ma peaksin tegema?"
Mida rohkem duo TMD-de kohta õppis, seda intrigeerivamaks nad muutusid. Teadlased keskenduvad tavaliselt ühele kahest elektronide omadusest: nende laeng ja spin (või sisemine nurkimpulss). Elektrilaengu voolu juhtimine on kaasaegse elektroonika vundament. Ja elektronide pöörlemise ümberpööramine võib viia "spintroonika" seadmeteni, mis pakivad rohkem teavet väiksematesse ruumidesse. 2014. aastal Mak aitas avastada et 2D-molydisulfiidis olevad elektronid võivad omandada spetsiaalse, kolmanda omaduse: need elektronid peavad liikuma kindla impulsiga, mis on kontrollitav atribuut, mida nimetatakse "oruks", mis teadlaste arvates võib tekitada veel kolmanda "valleytronics" tehnoloogia välja.
Samal aastal tuvastasid Mak ja Shan veel ühe TMD-de silmatorkava tunnuse. Elektronid ei ole ainsad üksused, mis liiguvad läbi kristalli; füüsikud jälgivad ka "auke", vabu kohti, mis tekivad elektronide hüppamisel mujale. Need augud võivad materjalis ringi liikuda nagu tõelised positiivselt laetud osakesed. Positiivne auk tõmbab negatiivse elektroni ligi, et moodustada põgus partnerlus, mida nimetatakse eksitoniks, hetkel, enne kui elektron augu ummistab. Shan ja Mak mõõtis atraktiivsust elektronide ja aukude vahel 2D-volframdiseleniidis ja leidis, et see on sadu kordi tugevam kui tüüpilises 3D-pooljuhis. Leid viitas sellele, et TMD-de eksitonid võivad olla eriti tugevad ja üldiselt tegid elektronid tõenäolisemalt igasuguseid veidraid asju.
Paar kindlustas ühised kohad Pennsylvania osariigi ülikoolis ja asutas seal labori. Olles lõpuks veendunud, et TMD-d tasub oma karjäärile panustada, seadsid nad materjalid oma uue grupi keskmesse. Nad abiellusid ka.
Samal ajal nägi Hone'i meeskond Columbias, et grafeeni omadused muutuvad veelgi äärmuslikumaks, kui nad asetasid selle kvaliteetse isolaatori boornitriidi peale. See oli varane näide 2D-materjalide ühest uudsemast aspektist: nende virnastatavusest.
Asetage üks 2D-materjal teise peale ja kihid asuvad üksteisest nanomeetri murdosa kaugusel – nende elektronide vaatenurgast pole vahemaa. Selle tulemusena sulanduvad virnastatud lehed tõhusalt üheks aineks. "See ei ole ainult kaks materjali koos," ütles Wang. "Te loote tõesti uue materjali."
Kui grafeen koosneb eranditult süsinikuaatomitest, siis mitmekesine TMD võre perekond toob virnastamismängu kümneid lisaelemente. Igal TMD-l on oma sisemised võimed. Mõned on magnetilised; teised ülijuhtivad. Teadlased ootasid põnevusega nende kombineeritud võimete segamist ja sobitamist moematerjalidega.
Kuid kui Hone'i rühm pani isolaatorile molüüdisulfiidi, näitasid virna omadused grafeenis nähtuga võrreldes hämarat. Lõpuks mõistsid nad, et nad ei olnud TMD kristallide kvaliteeti kontrollinud. Kui mõned kolleegid pistsid oma molüüdisulfiidi mikroskoobi alla, mis oli võimeline eraldama üksikuid aatomeid, olid nad uimastatud. Mõned aatomid olid vales kohas, samas kui teised olid täielikult kadunud. Koguni 1 100 võre saidil oli mõni probleem, mis takistas võre võimet elektrone suunata. Võrdluseks oli grafeen täiuslikkuse kujund, millel oli ligikaudu üks defekt miljoni aatomi kohta. "Saime lõpuks aru, et ostnud kraam oli täielik prügi," ütles Hone.
2016. aasta paiku otsustas ta asuda tegelema teadusliku kvaliteediga TMD-de kasvatamisega. Ta värbas järeldoktori, Daniel Rhodes, kellel on kogemusi kristallide kasvatamisel, sulatades ülikõrgetel temperatuuridel toorainepulbreid ja seejärel jahutades neid liustikutempoga. "See on nagu vees suhkrust kivikommide kasvatamine," selgitas Hone. Uus protsess võttis kuu aega, võrreldes kaubanduslike meetodite mõne päevaga. Kuid see tootis sadu kuni tuhandeid kordi paremaid TMD kristalle kui need, mida müüakse keemiakataloogides.
Enne kui Shan ja Mak said Hone'i üha puutumatumaid kristalle ära kasutada, seisid nad silmitsi ebaglamuurse ülesandega välja mõelda, kuidas töötada mikroskoopiliste helvestega, mis ei armasta elektrone vastu võtta. Elektronide sissepumpamiseks (transporditehnika aluseks, mille Mak kasutas postdoktoriks) oli paaril kinnisideeks lugematu arv üksikasju: millist tüüpi metalli elektroodi jaoks kasutada, kui kaugele TMD-st see asetada, isegi milliseid kemikaale. kasutage kontaktide puhastamiseks. Elektroodide seadistamise lõputute viiside proovimine oli aeglane ja töömahukas – "selle või natukehaaval viimistlemine on aeganõudev protsess," ütles Mak.
Samuti veetsid nad aastaid, et välja mõelda, kuidas tõsta ja virnastada mikroskoopilisi helbeid, mille läbimõõt on vaid kümnendiku miljondik meetrit. Tänu sellele võimele, Hone'i kristallidele ja täiustatud elektrilistele kontaktidele sai 2018. aastal kõik kokku. Paar kolis New Yorki Ithacasse, et asuda Cornelli uutele ametikohtadele ja nende laborist tuli välja teedrajavate tulemuste kaskaad.
Läbimurded Cornellis
"Täna on kõike raske millegipärast kätte saada," ütles Mak and Shani rühma magistrant Zhengchao Xia, kui boornitriidi helbe tume siluett ähvardas maha kooruda ja kukkuda tagasi allpool olevale ränipinnale. Madagaskari kujuline leht klammerdus nõrgalt Saudi Araabiat meenutava grafiiditüki külge, samamoodi nagu paber võis kleepuda hiljuti hõõrutud õhupalli praksuva pinna külge. Grafiit oli omakorda kleepunud klaasklaasi külge kinnitatud kleepuva kastetilga külge. Xia kasutas slaidi haarava mootoriga aluse suunamiseks arvutiliidest. Nagu mängusaalikülastaja võib manööverdada küünarmasinat juhtkangiga, tõstis ta virna ettevaatlikult õhku kiirusega üks viiendik miljondik meetrit hiireklõpsu kohta, vaadates pingsalt arvutimonitori, et näha, kas püüdis edukalt boornitriidi helbe.
Tal oli. Veel mõne klõpsuga vabanes kahekihiline virn ja Xia liikus kiiresti, kuid tahtlikult, et ladestada helbed kolmandale materjalile, mis oli kaetud laialivalguvate metallelektroodidega. Veel mõne klõpsuga soojendas ta pinna, sulatades slaidi plastliimi, enne kui kumbki meist sai mikroskoopilise seadme eemale aevastada.
"Mul on alati selline õudusunenägu, et see lihtsalt kaob," ütles ta.
Algusest lõpuni kulus Xial üle tunni, et kokku panna lihtsa seadme alumine pool – samaväärne avatud pinnaga PB&J-ga. Ta näitas mulle teist virna, mille ta oli hiljuti kokku pannud, ja raputas ära mõned koostisosad, mille hulka kuulusid TMD-d volframdiseleniid ja molüüditelluriid. Üks kümnetest mikroskoopilistest võileibadest, mida ta on viimase aasta jooksul konstrueerinud ja uurinud, oli sellel Dagwoodil ilmatu 10 kihti ja selle kokkupanek võttis mitu tundi.
See 2D-materjalide virnastamine, mida tehakse ka Columbia, Massachusettsi Tehnoloogiainstituudi, Berkeley, Harvardi ja teiste institutsioonide laborites, esindab kondenseerunud aine füüsikute kauaaegse unistuse täitmist. Teadlased ei piirdu enam ainult maapinnast leitud või laboris aeglaselt kasvatatud materjalidega. Nüüd saavad nad mängida Lego klotside atomaarse ekvivalendiga, klõpsates lehti kokku, et ehitada soovitud omadustega eritellimusel konstruktsioone. Kui rääkida TMD struktuuride kokkupanemisest, on vähesed jõudnud nii kaugele kui Cornelli grupp.
Maki ja Shani esimene suurem avastus Cornellis puudutas eksitoneid, tugevalt seotud elektron-augu paare, mida nad olid näinud TMD-des juba 2014. aastal. Eksitoonid intrigeerivad füüsikuid, sest need "kvaasiosakesed” võib pakkuda ringteekonda kondenseerunud aine füüsika igaaastase eesmärgi – toatemperatuuri ülijuhtivuse – saavutamiseks.
Eksitonid mängivad samade funky reeglite järgi nagu elektron-elektron paarid; ka need elektron-augu paarid muutuvad bosoniteks, mis laseb neil "kondenseerida" jagatud kvantolekusse, mida tuntakse Bose-Einsteini kondensaadina. Sellel kvaasiosakeste sidusal hordil võivad olla sellised kvanttunnused nagu ülivoolavus, võime voolata ilma takistuseta. (Kui ülivedelik kannab elektrivoolu, siis see ülijuhtib.)
Kuid erinevalt tõrjuvatest elektronidest armastavad elektronid ja augud siduda. Teadlaste sõnul muudab see nende liimi tugevamaks. Eksitonipõhise ülijuhtivuse väljakutsed seisnevad selles, et elektron ei täidaks auku ja elektriliselt neutraalsed paarid voolaksid voolus – seda kõike võimalikult soojas ruumis. Seni on Mak ja Shan esimese probleemi lahendanud ja neil on plaan teisega tegeleda.
Aatomipilvesid saab võimsate laseritega jahutada, et moodustada kondensaat. Kuid teoreetikud on pikka aega kahtlustanud, et kõrgematel temperatuuridel võivad tekkida eksitonide kondensaadid. Cornelli grupp tegi selle idee oma virnastatavate TMD-dega reaalsuseks. Kahekihilise võileiva abil panid nad ülemisse kihti lisaelektrone ja alumisest eemaldasid elektronid, jättes alles augud. Elektronid ja augud paarituvad, luues eksitonid, mis on pikaealised, kuna elektronidel on raskusi vastaskihile hüppamisega, et oma partnereid neutraliseerida. Oktoobris 2019 rühm teatatud märgid eksitoni kondensaadist 100 kelvini juures. Selles seadistuses püsisid eksitonid kümneid nanosekundeid, mis on seda tüüpi kvaasiosakeste eluiga. 2021. aasta sügisel, kirjeldas rühm täiustatud aparaati, kus eksitonid näivad kestvat millisekundeid, mida Mak nimetas "praktiliselt igaveseks".
Meeskond jätkab praegu skeem teoreetikute poolt 2008. aastal eksitonvoolu tekitamiseks välja mõeldud. Allan MacDonald, Austini Texase ülikooli silmapaistev kondenseeritud aine teoreetik ja tema kraadiõppur Jung-Jung Su tegid ettepaneku panna neutraalsed eksitonid voolama, rakendades elektrivälja, mis on orienteeritud viisil, mis julgustab nii elektrone kui ka auke liikuma samas suunas. Et see laboris lahti saada, peab Cornelli rühm taas maadlema oma igavese vaenlase, elektrikontaktidega. Sel juhul peavad nad TMD kihtidele kinnitama mitu elektroodide komplekti, millest mõned eksitonid toodavad ja teised nende liigutamiseks.
Shan ja Mak usuvad, et nad on õigel teel, et saada peagi eksitonid voolama kuni 100 kelvinit. See on inimese jaoks külm ruum (–173 kraadi Celsiuse järgi või –280 kraadi Fahrenheiti järgi), kuid see on tohutu hüpe nanokelvini tingimustest, mida enamik bosonikondensaate vajab.
"See on iseenesest kena saavutus," ütles Mak kavalalt naeratades, "soojendada temperatuuri miljard korda."
Maagilised muaree materjalid
2018. aastal, kui Cornelli labor oma TMD-katseid hoogustas, käivitas teine grafeeniüllatus teise 2D-materjalide revolutsiooni. Pablo Jarillo-HerreroMIT-i teadlane ja teine Columbia maarjas teatas, et ühe grafeenikihi keeramine alloleva kihi suhtes lõi maagilise uue 2D materjali. Saladus seisnes ülemise kihi langetamises nii, et selle kuusnurgad maanduksid kerge "väänatusega", nii et neid pöörati täpselt 1.1 kraadi allolevate kuusnurkade vastu. See nurgaviga põhjustab aatomite vahelise nihke, mis kasvab ja kahaneb, kui liigute üle materjali, tekitades korduva suurte "superrakkude" mustri, mida nimetatakse muaree-supervõreks. MacDonaldil ja kolleegil oli Arvutatud 2011. aastal et 1.1 kraadise "maagilise nurga" juures sunniks supervõre ainulaadne kristallstruktuur grafeeni elektrone aeglustama ja tajuma naabrite tõrjumist.
Kui elektronid saavad üksteisest teadlikuks, juhtub imelikke asju. Tavalistes isolaatorites, juhtides ja pooljuhtides arvatakse, et elektronid suhtlevad ainult aatomite võrega; nad kihutavad liiga kiiresti ringi, et üksteist märgata. Kuid aeglustunud roomamiseni võivad elektronid üksteist tõugata ja ühiselt omandada erinevaid eksootilisi kvantolekuid. Jarillo-Herrero katsed näitasid, et halvasti mõistetav põhjustel põhjustab see elektronidevaheline side keerdunud maagilise nurga grafeenis eriti tugev ülijuhtivuse vorm.
Grafeenmuaree supervõre tutvustas teadlastele ka radikaalselt uut elektronide juhtimise viisi. Supervõres ei unusta elektronid üksikuid aatomeid ja kogevad superrakke end justkui hiiglaslike aatomitena. See muudab superrakkude asustamise lihtsaks piisava hulga elektronidega, et moodustada kollektiivseid kvantolekuid. Kasutades elektrivälja keskmise elektronide arvu suurendamiseks või vähendamiseks superraku kohta, suutis Jarillo-Herrero rühm panna oma keerutatud kahekihilise grafeeniseadme ülijuhina toimima. isolaatorvõi kuva a parv muud, võõraste elektronide käitumine.
Füüsikud üle kogu maailma tormasid tärkavasse "twistronika" valdkonda. Kuid paljud on leidnud, et väänamine on raske. Aatomitel pole põhjust korralikult langeda "maagilisse" 1.1-kraadisesse nihkesse, nii et lehed kortsuvad viisil, mis muudab nende omadusi täielikult. Cornelli magistrant Xia ütles, et tal on hunnik sõpru teistes ülikoolides, kes töötavad keerutatud seadmetega. Töötava seadme loomine võtab neil tavaliselt kümneid katseid. Ja isegi siis käitub iga seade erinevalt, nii et konkreetseid katseid on peaaegu võimatu korrata.
TMD-d on palju lihtsam viis muaree supervõrede loomiseks. Kuna erinevatel TMD-del on erineva suurusega kuusnurksed võred, loob veidi suuremate kuusnurkade võre väiksema võre peale virnastamine muaree mustri täpselt nii, nagu seda teeb nurgaviga. Sel juhul, kuna kihtide vahel ei toimu pöörlemist, on virn tõenäolisemalt paigale klõpsatud ja paigal püsimine. Kui Xia kavatseb luua TMD muareeseadet, õnnestub tal üldiselt neli korda viiest.
TMD muareematerjalid on ideaalsed mänguväljakud elektronide vastastikmõjude uurimiseks. Kuna materjalid on pooljuhid, muutuvad nende elektronid materjalidest läbi libisedes raskeks, erinevalt grafeenis leiduvatest meeletutest elektronidest. Ja hiiglaslikud muareerakud aeglustavad neid veelgi: kui elektronid liiguvad sageli aatomite vahel "tunneldades", mis on teleportatsiooniga sarnane kvantmehaaniline käitumine, siis muarévõres toimub tunneldamine harva, kuna superrakud asuvad üksteisest ligikaudu 100 korda kaugemal kui nende sees olevad aatomid. . Kaugus aitab elektronidel settida ja annab neile võimaluse oma naabreid tunda.
Shani ja Maki sõbralik rivaal Feng Wang oli üks esimesi, kes mõistis TMD muaree supervõre potentsiaali. Ümbriku tagakülje arvutused näitasid, et need materjalid peaksid tekitama ühe lihtsaima viisi, kuidas elektronid saavad organiseeruda - Wigner-kristallina tuntud oleku, kus vastastikune tõrjumine lukustab letargilised elektronid oma kohale. Wangi meeskond nägi selliste seisundite tunnused aastal 2020 ja avaldati esimene pilt elektronidest, mis hoiavad üksteist käsivarre kaugusel loodus 2021. aastal. Selleks ajaks oli teade Wangi TMD muaree-tegevusest juba tihedas 2D-füüsika kogukonnas levinud ja Cornelli TMD tehas hakkas välja müüma omaenda TMD muareeseadmeid. Shan ja Mak teatasid ka tõenditest Wigner kristallide kohta TMD supervõredes 2020. aastal ning avastasid kuude jooksul, et nende seadmetes olevad elektronid võivad kristalliseeruda peaaegu kaks tosinat erinevat Wigner kristalli mustrit.
Samal ajal meisterdas Cornelli grupp ka TMD muareematerjale elektriliseks tööriistaks. MacDonald ja kaastöötajad oli ennustanud 2018. aastal, et neil seadmetel on õige kombinatsioon tehnilistest omadustest, et need esindaksid täiuslikult üht kõige olulisemat mänguasja mudelit kondenseerunud aine füüsikas. Hubbardi mudel, nagu seda nimetatakse, on teoreetiline süsteem, mida kasutatakse mitmesuguste elektronide käitumise mõistmiseks. Iseseisvalt pakutud Martin Gutzwilleri, Junjiro Kanamori ja John Hubbardi poolt 1963. aastal on mudel füüsikute parim katse eraldada praktiliselt lõpmatu hulk kristallvõresid nende kõige olulisemate omadusteni. Kujutage ette elektrone sisaldavate aatomite võrku. Hubbardi mudel eeldab, et iga elektron tunneb kahte konkureerivat jõudu: ta tahab liikuda tunneli teel naaberaatomiteni, kuid naabrid tõrjuvad seda ka, mistõttu ta soovib jääda sinna, kus ta on. Erinevad käitumisviisid tekivad sõltuvalt sellest, milline soov on tugevaim. Hubbardi mudeli ainus probleem on see, et see on matemaatiliselt lahendamatu, välja arvatud kõige lihtsamal juhul - 1D aatomite jada.
MacDonaldi ja kolleegide sõnul võivad TMD muareematerjalid toimida Hubbardi mudeli "simulaatoritena", mis võivad potentsiaalselt lahendada mõned valdkonna sügavaimad saladused, nagu liimi olemus, mis seob elektrone kupraadides ülijuhtivateks paarideks. Selle asemel, et võidelda võimatu võrrandiga, võiksid teadlased TMD võileivas elektronid lahti lasta ja vaadata, mida nad tegid. "Me võime selle mudeli üles kirjutada, kuid paljudele olulistele küsimustele on väga raske vastata," ütles MacDonald. "Nüüd saame seda teha lihtsalt katsega. See on tõesti murranguline. ”
Hubbardi mudelisimulaatori ehitamiseks virnastasid Shan ja Mak volframdiseleniidi ja volframsulfiidi kihid, et luua muaree supervõre, ning nad kinnitasid elektroodid TMD võileiba läbiva elektrivälja valimiseks. Elektriväli kontrollis, kui palju elektrone täidab iga superraku. Kuna rakud toimivad nagu hiiglaslikud aatomid, oli ühelt elektronilt kahele elektronile minek superraku kohta nagu vesinikuaatomite võre muutmine heeliumiaatomite võreks. Nendes esialgne Hubbardi mudeli avaldamine in loodus 2020. aasta märtsis teatasid nad aatomite simuleerimisest kuni kahe elektroniga; täna võivad nad tõusta kuni kaheksani. Mõnes mõttes olid nad mõistnud iidset eesmärki muuta plii kullaks. "See on nagu keemia häälestamine," ütles Mak, "perioodilisuse tabeli läbimine." Põhimõtteliselt suudavad nad isegi välja võluda fiktiivsete aatomite võrgustiku, millest igaühes on näiteks 1.38 elektroni.
Järgmisena vaatas rühm tehisaatomite südameid. Rohkemate elektroodidega saaksid nad kontrollida superrakkude "potentsiaali", tehes muudatusi, mis on sarnased positiivsete prootonite lisamisega hiiglaslike sünteetiliste aatomite keskustesse. Mida suurem laeng on tuumal, seda raskem on elektronidel tunneldada, nii et see elektriväli võimaldab neil hüppamise kalduvust tõsta ja vähendada.
Maki ja Shani kontroll hiiglaslike aatomite – ja seega ka Hubbardi mudeli – üle oli täielik. TMD muareesüsteem võimaldab neil kutsuda kokku ersatz-aatomite võrgustik, isegi selliseid, mida looduses ei eksisteeri, ja neid sujuvalt vastavalt soovile muuta. See on jõud, mis isegi teiste selle valdkonna teadlaste jaoks piirneb maagilisusega. "Kui ma peaksin välja tooma nende kõige põnevama ja muljetavaldavama jõupingutuse, siis see on see," ütles Kim.
Cornelli rühmitus kasutas kiiresti oma disaineri aatomeid, et lahendada 70 aastat kestnud arutelu. Küsimus oli: mis siis, kui võtaksite isolaatori ja kohandaksite selle aatomeid, et muuta see juhtivaks metalliks? Kas üleminek toimuks järk-järgult või järsult?
Muaree alkeemiaga viisid Shan ja Mak oma laboris läbi mõtteeksperimendi. Esiteks simuleerisid nad raskeid aatomeid, mis püüdsid elektronid lõksu, nii et TMD supervõre toimis isolaatorina. Seejärel kahandasid nad aatomeid, nõrgendades lõksu, kuni elektronid said vabadusse hüpata, lastes supervõrel muutuda juhtivaks metalliks. Jälgides järk-järgult langevat elektritakistust, kui supervõre käitus üha enam nagu metall, näitasid nad, et üleminek ei ole järsk. See leid, mis teatasid nad in loodus eelmisel aastal avab võimaluse, et supervõre elektronid võivad saavutada kauaotsitud voolavuse, mida nimetatakse kvantpöörlemisvedelik. "See võib olla kõige huvitavam probleem, mida saab lahendada," ütles Mak.
Peaaegu samal ajal läks paaril õnneks mõnede füüsikute arvates nende seni kõige olulisem avastus. "See oli tegelikult täielik õnnetus," ütles Mak. "Keegi ei oodanud seda."
Kui nad alustasid Hubbardi simulaatori uurimist, kasutasid teadlased TMD võileibu, milles kahe kihi kuusnurgad on joondatud, siirdemetallide peal siirdemetallid ja kalkogeniidide peal kalkogeniidid. (Siis avastasid nad isolaatori ja metalli järkjärgulise ülemineku.) Siis juhtusid nad ootamatult kordama katset seadmetega, mille pealmine kiht oli virnastatud tahapoole.
Nagu varemgi, hakkas takistus langema, kui elektronid hakkasid hüppama. Kuid siis langes see järsult, langedes nii madalale, et teadlased mõtlesid, kas muaree oli hakanud ülijuhtima. Edasi uurides aga nad mõõdeti haruldast vastupanumustrit tuntud kui kvantanomaalne Halli efekt – tõend, et toimub midagi veelgi veidramat. Mõju näitas, et seadme kristallstruktuur sundis elektrone piki materjali serva toimima teisiti kui keskel. Seadme keskel jäid elektronid isoleerivasse olekusse kinni. Kuid ümber perimeetri voolasid nad ühes suunas - selgitades ülimadalat takistust. Kogemata olid teadlased loonud äärmiselt ebatavalise ja hapra ainetüübi, mida tuntakse Cherni isolaatorina.
Kvant-anomaalne saali efekt, esmakordselt täheldatud 2013. aastal, laguneb tavaliselt laiali, kui temperatuur tõuseb üle mõne sajandikkelvini. 2019. aastal oli Youngi grupp Santa Barbaras seda näinud ühekordne keerutatud grafeenivõileib umbes 5 kelvinit. Nüüd olid Shan ja Mak saavutanud efekti peaaegu samal temperatuuril, kuid keeramata TMD-seadmes, mida igaüks saab uuesti luua. "Meil oli kõrgem temperatuur, kuid ma võtan nende oma iga päev, sest nad saavad seda teha kümme korda järjest," ütles Young. See tähendab, et saate sellest aru "ja kasutada seda millegi tegemiseks".
Mak ja Shan usuvad, et vähese askeldamisega saavad nad TMD muaree materjale kasutada Cherni isolaatorite ehitamiseks, mis peavad vastu 50 või 100 kelvinini. Kui need on edukad, võib töö viia teise viisini, kuidas vool voolata ilma takistuseta – vähemalt väikeste "nanojuhtmete" puhul, mida nad võivad isegi seadme teatud kohtades sisse ja välja lülitada.
Uurimine Lamemaal
Isegi kui olulised tulemused kuhjuvad, ei näita paar mingeid märke aeglustumisest. Päeval, mil ma külastasin, vaatas Mak, kuidas õpilased töötasid kõrguva lahjenduskülmikuga, mis võimaldas neil jahutada oma seadmeid tuhandeid kordi külmema temperatuurini, kui nad on seni töötanud. "Soojemates" tingimustes on avastada nii palju füüsikat, et rühmal pole olnud võimalust sügavamas krüogeenses valdkonnas ülijuhtivuse märke põhjalikult otsida. Kui superkülmik laseb TMD-del ülijuhtida, vastab see veel ühele küsimusele, mis näitab seda magnetismi vorm, mis on omane kupraatidele (kuid TMD-des puudub) ei ole elektrone siduva liimi oluline koostisosa. "See on nagu ühe olulise komponendi tapmine, mida teoreetikud tahtsid juba pikka aega tappa," ütles Mak.
Tema ja Shan ja nende rühm pole isegi hakanud eksperimenteerima mõne lõbusama TMD-ga. Pärast seda, kui nad on aastaid leiutanud 2D-materjalide kontinendil liikumiseks vajalikke seadmeid, valmistuvad nad lõpuks 2010. aastal maabunud molüüdisulfiidi rannapeast kaugemale.
Kaks teadlast omistavad oma edu Columbias omandatud koostöökultuurile. Nende sõnul oli esialgne koostöö Hone'iga, mis tutvustas neile molidisulfiidi, vaid üks paljudest võimalustest, mida nad nautisid, sest nad said vabalt oma uudishimu järgida. "Me ei pidanud arutama" nende plaane nende labori juhataja Heinziga, ütles Shan. «Rääkisime inimestega teistest gruppidest. Tegime katseid. Pakkisime isegi asjad kokku."
Tänapäeval loovad nad sarnaselt pingevaba keskkonda Cornellis, kus nad juhendavad paarikümmet järeldoktorit, külalisteadlasi ja üliõpilasi, kes kõik saavad suures osas vabalt oma asju teha. "Õpilased on väga targad ja neil on häid ideid," ütles Mak. "Mõnikord ei taha te sekkuda."
Nende abielu muudab ka nende labori ainulaadseks. Need kaks on õppinud toetuma oma isiklikele tugevustele. Lisaks loovuse rohkusele eksperimentalistina on Shanil ka hoolikas distsipliin, mis teeb temast hea juhi; kui me kolmekesi rääkisime, tõukas ta sageli "Professor Fai" õigele teele, kui tema entusiasm füüsika vastu sundis ta liiga sügavale tehnilistesse asjadesse. Mak omalt poolt naudib karjääri alguses teadlaste kõrval töötamist nii laboris kui ka väljaspool. Hiljuti alustas ta grupiga kaljuronimist. "Tundub, et nende labor on nende perekond," ütles Young. Shan ja Mak ütlesid mulle, et nad saavutavad koos rohkem kui üksi. "Üks pluss üks on rohkem kui kaks," ütles Mak.
Nende ehitatud seadmed võivad samuti olla rohkem kui nende osade summa. Kui teadlased ühendavad TMD-lehti, et luua eksitoneid ja muaree supervõresid, spekuleerivad nad selle üle, kuidas elektronide kodustamise uued viisid võivad tehnoloogiat üle laadida. Isegi kui taskuvalmis ülijuhtivus jääb tabamatuks, võivad Bose-Einsteini kondensaadid põhjustada ülitundlikke kvantandureid ja Cherni-laadsete isolaatorite parem juhtimine võib võimaldada võimsad kvantarvutid. Ja need on lihtsalt ilmsed ideed. Materjaliteaduse järkjärgulised täiustused toovad sageli kaasa radikaalseid rakendusi, mida vähesed nägid tulemas. Näiteks transistori välja töötanud teadlased oleksid näinud vaeva, et ennustada nutitelefone, mis töötavad miljardite mikroskoopiliste lülititega, mis on topitud küünesuurusesse kiibi. Ja teadlased, kes püüdsid kujundada klaaskiude, mis võiksid valgust läbi nende laboripingi kanda, ei osanud ette näha, et 10,000 XNUMX-kilomeetrised merealused optilised kiud ühendavad ühel päeval mandreid. Kahemõõtmelised materjalid võivad areneda samamoodi ettearvamatutes suundades. "Tõeliselt uus materjalide platvorm loob oma rakendused, mitte olemasolevate materjalide väljatõrjumine," ütles Heinz.
Sõites mind Ithaca bussipeatusesse, rääkisid Shan ja Mak mulle hiljutisest (ja harvaesinevast) puhkusest, mille nad võtsid Kanadasse Banffi, kus nad näitasid taas oma oskust komistada üllatuste otsa läbi pingutuse ja õnne. Nad olid veetnud päevi, püüdes – asjata – karu märgata. Seejärel peatusid nad reisi lõpus, teel lennujaama, botaanilisel kaitsealal jalgu sirutama ja leidsid end näost näkku musta karuga.
Samamoodi on kondenseeritud aine füüsika puhul nende lähenemine koos uuel maastikul ringi rännata ja vaadata, mis sealt välja tuleb. "Meil pole palju teoreetilisi juhiseid, kuid me lihtsalt lollitame ja mängime katsetega," ütles Mak. "See võib ebaõnnestuda, kuid mõnikord võite kokku puutuda millegi väga ootamatuga."
