Molybdeniitti näyttää jopa koulutetulle silmälle lähes identtiseltä grafiitin kanssa – kiiltävältä, hopeanhohtoiselta kiteeltä. Se toimii myös samalla tavalla poistaen hiutaleita tavalla, joka tekisi hyvän kynätäytteen. Mutta elektronille kaksi atomiverkkoa muodostavat eri maailmoja. Ero tuli ensimmäisen kerran tieteelliseen ennätykseen 244 vuotta sitten. Carl Scheele, ruotsalainen kemisti, joka on tunnettu hapen löydöistään, upotti jokaisen mineraalin valikoituihin happoihin ja katseli hirveitä kaasupilviä, jotka nousevat esiin. Scheele, joka lopulta maksoi tästä lähestymistavasta hengellään ja kuoli epäiltyyn raskasmetallimyrkytykseen 43-vuotiaana, päätteli, että molybdeniitti oli uusi aine. Hän kuvaili sitä kirjeessään Ruotsin kuninkaalliselle tiedeakatemialle vuonna 1778 ja kirjoitti: "En tarkoita tässä yleisesti tunnettua grafiittia, jonka voi hankkia apteekista. Tämä siirtymämetalli näyttää olevan tuntematon."
Molybdeniitistä tuli 20-luvulla suosittu voiteluaine, koska sillä oli taipumusta hiutalemaan jauhemaisia paloja. Se auttoi suksia liukumaan kauemmas lumen läpi ja tasoitti luotien ulostuloa kiväärin piipuista Vietnamissa.
Nykyään sama hilseily ruokkii fysiikan vallankumousta.
Läpimurrot alkoivat grafiitilla ja teipillä. Tutkijat löysivät sattumalta vuonna 2004, että he voisivat käyttää teippiä kuorimaan pois vain yhden atomin paksuiset grafiittihiutaleet. Näillä kiteisillä levyillä, joista jokainen oli litteä hiiliatomien ryhmä, oli hämmästyttäviä ominaisuuksia, jotka erosivat radikaalisti niiden kolmiulotteisten kiteiden ominaisuuksista, joista ne tulivat. Grafeeni (kuten sen löytäjät kutsuivat sitä) oli kokonaan uusi aineluokka - 2D-materiaali. Sen löytö muutti kondensoidun aineen fysiikan, fysiikan haaran, joka pyrkii ymmärtämään aineen monia muotoja ja käyttäytymismalleja. Lähes puolet kaikista fyysikoista ovat tiivistetyn aineen fyysikoita; se on alakenttä, joka toi meille tietokonesiruja, lasereita, LED-lamppuja, MRI-laitteita, aurinkopaneeleja ja kaikenlaisia modernin teknologian ihmeitä. Grafeenin löydön jälkeen tuhannet kondensoituneen aineen fyysikot alkoivat tutkia uutta materiaalia toivoen, että se tukisi tulevaisuuden teknologioita.
Grafeenin löytäjät saivat Nobelin fysiikan palkinnon vuonna 2010. Samana vuonna kaksi nuorta fyysikkoa Columbian yliopistosta, Jie Shan ja Kin Fai Mak, näki merkkejä siitä, että molybdeniitin hiutaleet saattavat olla jopa maagisempia kuin grafeeni. Vähemmän tunnetulla mineraalilla on ominaisuuksia, jotka tekevät sen tutkimisesta vaikeaa – liian kovaa monille laboratorioille – mutta se kiehtoi Shanin ja Makin. Sijainen kaksikko omistautui lähes vuosikymmenen 2D-molybdeniitin (tai molybdeenidisulfidin, kuten kiteen laboratoriossa kasvatettua versiota kutsutaan) ja läheisesti sukua olevien 2D-kiteiden kiistalle.
Nyt heidän ponnistelunsa kantaa hedelmää. Shan ja Mak, jotka ovat nyt naimisissa ja johtavat yhteistä tutkimusryhmää Cornellin yliopistossa, ovat osoittaneet, että molybdeenidisulfidin ja sen sukulaisten 2D-kiteet voivat aiheuttaa valtavan määrän eksoottisia kvanttiilmiöitä. "Se on hullu leikkipaikka", sanoi James Hone, Columbian tutkija, joka toimittaa Cornellin laboratorioon korkealaatuisia kiteitä. "Voit tehdä kaiken modernin kondensoidun aineen fysiikan yhdessä materiaalijärjestelmässä."
Shanin ja Makin ryhmä on vanginnut elektroneja, jotka käyttäytyvät ennennäkemättömällä tavalla näissä litteissä kiteissä. He ovat houkutelleet hiukkasia sulautumaan kvanttinesteeksi ja jäätymään valikoimaksi jäämäisiä rakenteita. He ovat oppineet kokoamaan jättimäisten keinotekoisten atomien verkkoja, jotka toimivat nyt aineen perustavanlaatuisten teorioiden testialustoina. Cornell-laboratorionsa avaamisen jälkeen vuonna 2018 elektronin kesyttäjät ovat julkaisseet silmiä hivelevät kahdeksan artikkelia luonto, arvostetuin tieteen aikakauslehti, sekä joukko muita artikkeleita. Teoreetikot sanovat, että pariskunta laajentaa ymmärrystä siitä, mihin elektronijoukot pystyvät.
Heidän tutkimuksensa "on syvästi vaikuttava monilta osin", sanoi Philip Kim, merkittävä kondensoituneen aineen fyysikko Harvardin yliopistossa. "Se on, sanoisin, sensaatiomainen."
2D-materiaalien nousu
Materiaalin ominaisuudet heijastavat yleensä sitä, mitä sen elektronit tekevät. Esimerkiksi metallien kaltaisissa johtimissa elektronit purjehtivat atomien välillä helposti kuljettaen sähköä. Eristeissä, kuten puussa ja lasissa, elektronit pysyvät paikoillaan. Piin kaltaiset puolijohteet jäävät väliin: Niiden elektronit voidaan pakottaa liikkumaan energiavirralla, mikä tekee niistä ihanteellisia virtojen kytkemiseen päälle ja pois – transistorin tehtävä. Viimeisten 50 vuoden aikana näiden kolmen elektronin peruskäyttäytymisen lisäksi kondensoituneen aineen fyysikot ovat nähneet kevyiden varautuneiden hiukkasten käyttäytyvän monilla eksoottisemmilla tavoilla.
Yksi dramaattisimmista yllätyksistä tuli vuonna 1986, kun kaksi IBM:n tutkijaa Georg Bednorz ja Alex Müller havaittu elektronien virta, joka liikkuu kuparioksidikiteen ("kupraatti") läpi ilman minkäänlaista vastusta. Tämä suprajohtavuus – sähkön kyky virrata täydellisellä hyötysuhteella – oli nähty ennenkin, mutta vain hyvin ymmärretyistä syistä materiaaleissa, jotka on jäähtynyt muutaman absoluuttisen nolla-asteen tarkkuudella. Tällä kertaa Bednorz ja Müller havaitsivat ilmiön mystisen muodon, joka jatkui ennätysmäisessä 35 kelvinissä (eli 35 astetta absoluuttisen nollan yläpuolella). Tiedemiehet löysivät pian muita kupraatteja, jotka suprajohtavat yli 100 kelviniä. Syntyi unelma, joka on ehkä edelleenkin kondensoituneen aineen fysiikan ykköstavoitteena tänä päivänä: löytää tai suunnitella aine, joka pystyy suprajohtamaan sähköä kuumassa, noin 300 kelvinin maailmassamme mahdollistaen häviöttömät voimalinjat, leijuvat ajoneuvot ja muut hypertehokkaat laitteet. vähentäisi merkittävästi ihmiskunnan energian tarvetta.
Suprajohtavuuden avain on koaksioida elektroneja, jotka normaalisti hylkivät toisiaan, muodostaa pariliitoksia ja muodostaa kokonaisuuksia, jotka tunnetaan bosoneina. Bosonit voivat sitten kollektiivisesti sulautua kitkattomaksi kvanttinesteeksi. Bosoneja luovat houkuttelevat voimat, kuten atomivärähtelyt, voivat normaalisti voittaa elektronien hylkimisen vain kryogeenisissä lämpötiloissa tai korkeat paineet. Mutta näiden ääriolosuhteiden tarve on estänyt suprajohtavuuden pääsemästä jokapäiväisiin laitteisiin. Kupraattien löytö herätti toiveita siitä, että oikea atomihila voisi "liimata" elektronit yhteen niin lujasti, että ne pysyisivät kiinni jopa huoneenlämmössä.
40 vuotta Bednorzin ja Müllerin löydön jälkeen teoreetikot eivät vieläkään ole täysin varmoja siitä, kuinka kupraattien liima toimii, saati vielä vähemmän siitä, kuinka materiaaleja muokataan sen vahvistamiseksi. Näin ollen suuri osa kondensoituneen aineen fysiikan tutkimuksesta on yrityksen ja erehdyksen kautta etsittävää kiteitä, jotka voivat pitää elektroninsa pareittain tai paimentaa elektroneja muilla ihmeellisillä tavoilla. "Tihennysaine on fysiikan haara, joka mahdollistaa serendipityt", sanoi Kim. Tällainen oli 2004D-materiaalien löytö vuonna 2.
Andre Geim ja Konstantin Novoselov, työskentelee grafiitin parissa Manchesterin yliopistossa Yhdistyneessä kuningaskunnassa, löysi järkyttävä seuraus materiaalin hilseilemisestä. Grafiittikiteessä on hiiliatomeja, jotka on järjestetty löyhästi sidottuiksi kuusikulmioiksi. Teoreetikot olivat pitkään ennustaneet, että ilman pinon stabiloivaa vaikutusta lämmön aiheuttamat värähtelyt rikkoisivat yksikerroksisen arkin. Mutta Geim ja Novoselov huomasivat, että he pystyivät irrottamaan vakaat, atomin ohuet levyt vain teipillä ja kestävyydellä. Grafeeni oli ensimmäinen todella litteä materiaali - taso, jolla elektronit voivat liukua ympäriinsä, mutta eivät ylös ja alas.
Hone, Columbian fyysikko, havaitsi, että maailman ohuin materiaali on jotenkin myös vahvin. Se oli huomattava järkytys materiaalille, jonka teoreetikot ajattelivat, ettei se pysyisi yhdessä ollenkaan.
Grafeenin fyysikot kiinnostivat eniten se, kuinka hiilitasamaa muutti elektroneja: Mikään ei voinut hidastaa niitä. Elektronit kompastuvat usein atomihilan alle, jonka läpi ne liikkuvat, ja ne toimivat raskaammin kuin niiden oppikirjamassa (eristeen liikkumattomat elektronit toimivat ikään kuin niillä olisi ääretön massa). Grafeenin litteä hila antaa kuitenkin elektronien suistaa miljoonalla metrillä sekunnissa – vain muutama sata kertaa valon nopeutta hitaammin. Tällä tasaisella rakkulanopeudella elektronit lensivät ikään kuin niillä ei olisi lainkaan massaa, siunaten grafeenia äärimmäisellä (vaikkakaan ei super) johtavuudella.
Ihmemateriaalin ympärille syntyi kokonainen kenttä. Tutkijat alkoivat myös ajatella laajemmin. Voisiko muiden aineiden 2D-hiutaleilla olla omia supervoimia? Hone oli yksi niistä, jotka haarautuivat. Vuonna 2009 hän mittasi joitain grafiitin doppelgängerin, molybdeenidisulfidin, mekaanisia ominaisuuksia ja luovutti sitten kiteen kahdelle optiselle asiantuntijalle Tony Heinzin Columbia-laboratoriossa. Se oli satunnainen liike, joka muutti kaikkien mukana olevien uran.
Molybdeenidisulfidinäyte päätyi uransa varhaisessa vaiheessa vierailevan professorin Jie Shanin ja jatko-opiskelijan Kin Fai Makin käsiin. Nuori kaksikko tutki grafeenin vuorovaikutusta valon kanssa, mutta he olivat jo alkaneet haaveilla muista materiaaleista. Grafeenin nopeat elektronit tekevät siitä fantastisen johtimen, mutta he halusivat 2D-puolijohteen – materiaalin, jonka elektronivirran ne voisivat kytkeä päälle ja pois ja joka voisi siksi toimia transistorina.
Molybdeenidisulfidin tiedettiin olevan puolijohde. Ja Shan ja Mak huomasivat pian, että grafiitin tavoin se sai lisävoimia 2D:ssä. Kun he osoittivat laserilla "molydisulfidin" (kuten he sitä hellästi kutsuvat) 3D-kiteisiin, kiteet pysyivät tummina. Mutta kun Shan ja Mak repivät kerroksia teipillä, löivät niitä laserilla ja tutkivat niitä mikroskoopilla, he näkivät 2D-arkkien loistavan kirkkaasti.
Muiden ryhmien tekemät tutkimukset vahvistavat myöhemmin, että hyvin tehdyt arkit läheistä sukua olevasta materiaalista heijastavat jokaista viimeistä fotonia, joka osuu niihin. "Se on tavallaan käsittämätöntä", Mak sanoi äskettäin, kun tapasin hänet ja Shanin heidän yhteisessä toimistossaan Cornellissa. "Sinulla on vain yksi atomilevy, ja se voi heijastaa 100 % valosta kuin täydellinen peili." He ymmärsivät, että tämä ominaisuus saattaa johtaa näyttäviin optisiin laitteisiin.
Itsenäisesti, Feng Wang, fyysikko Kalifornian yliopistosta Berkeleystä, teki saman löydön. 2D-materiaali, joka oli erittäin heijastava ja käynnistettävä puolijohde, kiinnitti yhteisön huomion. molemmat ryhmät julkaisivat havaintonsa vuonna 2010; Lehdet ovat sittemmin saaneet yli 16,000 2 lainausta keskenään. "Kaikki, joilla on laserit, alkoivat kiinnostua XNUMXD-materiaaleista", Hone sanoi.
Tunnistamalla molidisulfidin toiseksi 2D-ihmemateriaaliksi nämä kaksi ryhmää olivat päässeet rantautumaan koko 2D-materiaalien mantereelle. Molydisulfidi kuuluu aineperheeseen, joka tunnetaan siirtymämetallidikalkogenideinä (TMD), jossa jaksollisen järjestelmän metallisen keskialueen atomit, kuten molybdeeni, liittyvät kemiallisten yhdisteiden pareihin, jotka tunnetaan kalkogenideinä, kuten rikki. Molydisulfidi on ainoa luonnossa esiintyvä TMD, mutta niitä on kymmeniä muita joita tutkijat voivat käyttää laboratorioissa – volframidisulfidi, molybdeeniditelluridi ja niin edelleen. Useimmat muodostavat heikosti sidottuja arkkeja, mikä tekee niistä herkkiä teipin palan liikepuolelle.
Alkuperäinen jännitysaalto kuitenkin laantui pian, kun tutkijat kamppailivat saadakseen TMD:t tekemään muutakin kuin loistamaan. Esimerkiksi Wangin ryhmä palasi grafeeniin havaittuaan, että he eivät voineet helposti kiinnittää metallielektrodeja molidisulfidiin. "Se on ollut ryhmämme kompastuskivi jo muutaman vuoden ajan", hän sanoi. "Edes nytkään emme ole kovin hyviä ottamaan yhteyttä." Näytti siltä, että TMD:iden tärkein etu grafeeniin verrattuna oli myös niiden suurin heikkous: Tutkiakseen materiaalin elektronisia ominaisuuksia, tutkijoiden on usein työnnettävä siihen elektroneja ja mitattava syntyvän virran resistanssi. Mutta koska puolijohteet ovat huonoja johtimia, elektroneja on vaikea saada sisään tai ulos.
Mak ja Shan tunsivat aluksi ambivalentteja. "Oli todella epäselvää, pitäisikö meidän jatkaa grafeenin parissa vai alkaa työstää tätä uutta materiaalia", Mak sanoi. "Mutta koska huomasimme, että sillä on tämä mukava ominaisuus, jatkoimme muutaman kokeen tekemistä."
Työskennellessään molemmat tutkijat ihastuivat yhä enemmän molidisulfidista ja toisistaan. Aluksi heidän yhteydenpitonsa oli ammattimaista ja rajoittui suurelta osin tutkimukseen keskittyviin sähköposteihin. Fai kysyi usein: 'Missä se laite on? Mihin laitoit sen?" Shan sanoi. Mutta lopulta heidän pitkien tuntien hautomansa ja kokeellisen menestyksen katalysoima suhde muuttui romanttiseksi. "Näimme vain liian usein, kirjaimellisesti samassa laboratoriossa saman projektin parissa", Mak sanoi. "Hyvin toimiva projekti ilahdutti myös meitä."
Kaikki fysiikka koko ajan
Vaatii kumppanuutta kahden omistautuneen fyysikon välillä, joilla on rautainen kurinalaisuus, jotta ongelmalliset TMD:t saataisiin syrjään.
Akateemikot tulivat aina helposti Shanin luo. Hän varttui 1970-luvulla Zhejiangin rannikkomaakunnassa. Hän oli tähtiopiskelija, loistanut matematiikassa, tieteissä ja kielessä ja ansainnut halutun paikan Kiinan tiede- ja teknologiayliopistossa Hefeissä. Siellä hän pääsi valikoivaan kulttuurivaihto-ohjelmaan Kiinan ja Neuvostoliiton välillä, ja hän tarttui tilaisuuteen opiskella venäjää ja fysiikkaa Moskovan valtionyliopistossa. "Kun olet teini, olet innokas tutkimaan maailmaa", hän sanoi. "En epäröinyt."
Heti hän näki maailmasta enemmän kuin oli ehtinyt tinkiä. Viisumiongelmat viivästyttivät hänen saapumistaan Venäjälle muutamalla kuukaudella, ja hän menetti paikkansa kieliohjelmassa. Viranomaiset löysivät hänelle toisen kurssin, ja pian Moskovaan laskeutumisen jälkeen hän nousi junaan ja matkusti 5,000 kilometriä itään. Kolme päivää myöhemmin hän saapui Irkutskin kaupunkiin keskellä Siperiaa talven alkaessa. "Sain neuvon: 'Älä koskaan, koskaan koske mihinkään ilman hanskoja'", hän sanoi, ettei hän jää jumiin.
Shan piti hanskat kädessä, oppi venäjän yhdessä lukukaudessa ja alkoi arvostaa talvisen maiseman karua kauneutta. Kurssin päättyessä ja lumen sulaessa hän palasi pääkaupunkiin aloittaakseen fysiikan tutkinnon ja saapui Moskovaan keväällä 1990, keskellä Neuvostoliiton hajoamista.
Ne olivat kaoottisia vuosia. Shan näki tankkien liikkuvan kaduilla lähellä yliopistoa, kun kommunistit yrittivät saada hallituksen takaisin hallintaansa. Toisessa yhteydessä, juuri loppukokeen jälkeen, puhkesi tappelu. "Saimme kuulla tulitusta, ja meitä käskettiin sammuttamaan valot asuntolasta", hän sanoi. Kaikki ruoasta wc-paperiin säännösteltiin kuponkijärjestelmän kautta. Siitä huolimatta Shan innostui professoriensa sitkeydestä, koska he jatkoivat tutkimustaan myllerryksestä huolimatta. ”Olosuhteet olivat vaikeat, mutta monilla tiedemiehistä oli tällainen asenne. He todella rakastavat sitä, mitä tekevät, huolimatta siitä, mitä tapahtuu”, hän sanoi.
Kun maailmanjärjestys romahti, Shan erottui ja julkaisi teoreettisen optiikkapaperin, joka kiinnitti Heinzin huomion Columbiassa. Hän rohkaisi häntä hakemaan, ja hän muutti New Yorkiin, jossa hän ajoittain auttoi muita kansainvälisiä opiskelijoita saamaan jalansijansa vieraassa maassa. Hän rekrytoi Wangin työskentelemään esimerkiksi Heinzin laboratoriossa ja jakoi kokeellisia vinkkejä. "Hän opetti minulle, kuinka olla kärsivällinen", hän sanoi, ja "miten olla turhautumatta laseriin."
Useimmat tutkijat ryhtyvät tohtorin virkaan ansaittuaan tohtorintutkinnon, mutta Shan liittyi Case Western Reserve Universityyn suoraan apulaisprofessorina vuonna 2001. Useita vuosia myöhemmin hän palasi sapattivapaalla Heinzin laboratorioon Columbiaan. Kerrankin hänen ajoituksensa oli sattumaa. Hän aloitti yhteistyön viehättävän ja kirkassilmäisen jatko-opiskelijan kanssa Heinzin ryhmässä, Kin Fai Makissa.
Mak oli kulkenut erilaista, vähemmän myrskyisää polkua New Yorkiin. Hän varttui Hongkongissa ja kamppaili koulussa, koska fysiikan lisäksi vähällä oli hänen mielestään järkeä. "Se oli ainoa asia, josta pidän ja jossa olin todella hyvä, joten valitsin fysiikan", hän sanoi.
Hänen perustutkimuksensa Hongkongin yliopistossa erottui joukosta, ja Heinz palkkasi hänet liittymään Columbian kukoistavaan kondensoituneen aineen fysiikan ohjelmaan. Siellä hän heittäytyi tutkimukseen ja vietti melkein kaikki valveillaoloaikansa laboratoriossa, lukuun ottamatta satunnaista intramuraalista jalkapalloa. Andrea Young, opiskelijatoveri (nykyisin apulaisprofessori Kalifornian yliopistossa Santa Barbarassa), jakoi asunnon Makin kanssa West 113th Streetillä. ”Olin onnekas, jos sain hänet kiinni kello kahdelta aamuyöllä keittämään pastaa ja keskustelemaan fysiikasta. Se oli koko ajan fysiikkaa", Young sanoi.
Mutta hyvät ajat eivät kestäneet. Pian sen jälkeen, kun Mak sairastui Youngin kanssa Amazonin sademetsään Kolumbiassa. Hänen lääkärinsä eivät olleet varmoja, mitä tehdä hänen hämmentävästä testituloksestaan, ja hän sairastui. Onnekas sattuma pelasti hänen henkensä. Young kuvaili tilannetta isälleen, lääketieteen tutkijalle, joka tunnisti välittömästi aplastisen anemian merkit – epätavallisen verensairauden, joka sattui olemaan hänen oman tutkimuksensa kohteena. "Tämän taudin saaminen on todella harvinaista, ensinnäkin", Mak sanoi. "Ja vielä harvemmin sairastut sairauteen, jonka kämppikkösi isä on asiantuntija."
Youngin isä auttoi Makia ilmoittautumaan kokeellisiin hoitoihin. Hän vietti suuren osan tutkijakoulun viimeisestä vuodesta sairaalassa ja oli lähellä kuolemaa useita kertoja. Koko koettelemuksen ajan Makin intohimo fysiikkaa kohtaan sai hänet jatkamaan työskentelyä. "Hän kirjoitti PRL kirjeitä sairaalasängystään", Young sanoi viitaten päiväkirjaan Fyysisen tarkastelun kirjaimet. "Kaikesta tästä huolimatta hän oli yksi tuottavimmista opiskelijoista koskaan", Heinz sanoi. "Se oli jonkinlainen ihme."
Lisähoidot auttoivat lopulta Makia toipumaan täydellisesti. Young, joka on itsekin tunnettu kokeilija, vitsaili myöhemmin interventioistaan: "Ystävien keskuudessa kutsun sitä suurimmaksi panokseksi fysiikkaan."
2D erämaahan
Mak muutti Cornelliin tutkijatohtoriksi vuonna 2012, jolloin Shan oli jo palannut Case Westerniin. He jatkoivat yksittäisiä projekteja grafeenin ja muiden materiaalien kanssa, mutta he jatkoivat myös muiden TMD-salaisuuksien paljastamista yhdessä.
Cornellissa Mak oppi elektronien kuljetusmittausten taiteen – optiikan ohella toisen päätavan ennustaa elektronien liikettä. Tämä asiantuntemus teki hänestä ja Shanista kaksinkertaisen uhkan alalla, jolla tutkijat ovat tyypillisesti erikoistuneet yhteen tai toiseen. "Aina kun tapaan Fain ja Jien, valitan: "On epäreilua, että kuljetatte", Kim sanoi. "Mitä minun pitäisi tehdä?"
Mitä enemmän kaksikko oppi TMD:stä, sitä kiehtovammaksi he tulivat. Tutkijat keskittyvät tyypillisesti yhteen kahdesta elektronien ominaisuudesta: niiden varauksesta ja spinistä (tai sisäisestä kulmamomentista). Sähkövarauksen virtauksen hallinta on nykyaikaisen elektroniikan perusta. Ja elektronien spinin kääntäminen voi johtaa "spintroniikka"-laitteisiin, jotka pakkaavat enemmän tietoa pienempiin tiloihin. Vuonna 2014 Mak auttoi löytämään että 2D-molydisulfidin elektronit voivat saada erityisen, kolmannen ominaisuuden: Näiden elektronien täytyy liikkua tietyllä määrällä vauhtia, hallittavissa olevaa ominaisuutta, joka tunnetaan nimellä "laakso", jonka tutkijat spekuloivat voivan synnyttää vielä kolmannen "valleytronics"-tekniikan kentän.
Samana vuonna Mak ja Shan tunnistivat toisen silmiinpistävän ominaisuuden TMD: stä. Elektronit eivät ole ainoita olentoja, jotka liikkuvat kiteen läpi; fyysikot jäljittävät myös "reikiä", avoimia paikkoja, jotka syntyvät, kun elektronit hyppäävät muualle. Nämä reiät voivat vaeltaa materiaalissa kuten todelliset positiivisesti varautuneet hiukkaset. Positiivinen reikä vetää puoleensa negatiivista elektronia muodostaen ohikiitävän kumppanuuden, joka tunnetaan nimellä eksiton, hetkellä ennen kuin elektroni tukkii reiän. Shan ja Mak mittasi vetovoimaa elektronien ja reikien välillä 2D-volframidiselenidissä ja havaitsi sen satoja kertoja vahvempana kuin tyypillisessä 3D-puolijohteessa. Löytö vihjasi, että TMD:iden eksitonit voivat olla erityisen kestäviä ja että yleensä elektronit tekivät todennäköisemmin kaikenlaisia outoja asioita.
Pariskunta sai yhteiset paikat Pennsylvanian osavaltion yliopistossa ja aloitti siellä laboratorion. Lopulta he olivat vakuuttuneita siitä, että TMD:t olivat uransa vedonlyönnin arvoisia, ja he asettivat materiaalit uuden ryhmänsä keskipisteeksi. He myös menivät naimisiin.
Sillä välin Honen tiimi Columbiassa näki grafeenin ominaisuuksien muuttuvan vieläkin äärimmäisemmäksi, kun he asettivat sen korkealaatuisen eristeen, boorinitridin, päälle. Se oli varhainen esimerkki yhdestä 2D-materiaalien uusimmasta näkökulmasta: niiden pinotettavuudesta.
Aseta yksi 2D-materiaali toisen päälle, jolloin kerrokset ovat nanometrin murto-osan päässä toisistaan – ei etäisyyttä elektronien näkökulmasta. Tämän seurauksena pinotut arkit sulautuvat tehokkaasti yhdeksi aineeksi. "Se ei ole vain kaksi materiaalia yhdessä", Wang sanoi. "Sinä todella luot uutta materiaalia."
Grafeeni koostuu yksinomaan hiiliatomeista, mutta monipuolinen TMD-hilojen perhe tuo pinoamispeliin kymmeniä lisäelementtejä. Jokaisella TMD:llä on omat luontaiset kykynsä. Jotkut ovat magneettisia; muut suprajohtavat. Tutkijat odottivat innolla niiden sekoittamista ja sovittamista muodikkaisiin materiaaleihin niiden yhdistetyillä voimilla.
Mutta kun Honen ryhmä asetti molyylidisulfidin eristeen päälle, pinon ominaisuudet osoittivat heikkoja voittoja verrattuna siihen, mitä he olivat nähneet grafeenissa. Lopulta he ymmärsivät, että he eivät olleet tarkistaneet TMD-kiteiden laatua. Kun jotkut työtoverit laittoivat molyylidisulfidinsa mikroskoopin alle, joka pystyi erottamaan yksittäisiä atomeja, he hämmästyivät. Jotkut atomit istuivat väärässä paikassa, kun taas toiset olivat kadonneet kokonaan. Jopa yhdellä sadasta hilapaikasta oli jokin ongelma, joka esti hilan kykyä ohjata elektroneja. Grafeeni oli sitä vastoin täydellisyyden kuva, jossa oli noin yksi vika miljoonaa atomia kohden. "Tajusimme vihdoin, että ostamamme tavara oli täyttä roskaa", Hone sanoi.
Vuoden 2016 tienoilla hän päätti ryhtyä kasvattamaan tutkimustason TMD:itä. Hän rekrytoi postdocin, Daniel Rhodes, jolla on kokemusta kiteiden kasvattamisesta sulattamalla raaka-aineiden jauheita erittäin korkeissa lämpötiloissa ja jäähdyttämällä niitä sitten jääkauden vauhdilla. "Se on kuin kivikaramellien kasvattamista vedessä olevasta sokerista", Hone selitti. Uusi prosessi kesti kuukauden verrattuna muutaman päivän kaupallisiin menetelmiin. Mutta se tuotti satoja tai tuhansia kertoja parempia TMD-kiteitä kuin kemikaaliluetteloissa myytävät.
Ennen kuin Shan ja Mak saattoivat hyödyntää Honen yhä turmeltumattomimpia kiteitä, heidän edessään oli lumoamaton tehtävä selvittää, kuinka työskennellä mikroskooppisten hiutaleiden kanssa, jotka eivät halua vastaanottaa elektroneja. Pumppaakseen sisään elektroneja (Makin siirtotekniikan perusta, jonka Mak oli poiminut jälkidokumenttina) pariskunnalle oli pakkomielle lukemattomista yksityiskohdista: minkä tyyppistä metallia käyttää elektrodiin, kuinka kauas TMD:stä se sijoitetaan, jopa mitä kemikaaleja käytä koskettimien puhdistamiseen. Loputtomien elektrodien asetustapojen kokeileminen oli hidasta ja työlästä - "aikaa vievä prosessi tämän tai sen hiomiseksi vähän kerrallaan", Mak sanoi.
He myös käyttivät vuosia selvittääkseen, kuinka nostaa ja pinota mikroskooppisia hiutaleita, joiden halkaisija on vain metrin kymmenesmiljoonasosia. Tämän kyvyn sekä Honen kiteiden ja parannettujen sähkökontaktien ansiosta kaikki yhdistyi vuonna 2018. Pariskunta muutti Ithacaan New Yorkiin ottamaan uusia tehtäviä Cornellissa, ja heidän laboratorioistaan levisi uraauurtavia tuloksia.
Cornellin läpimurtoja
"Tänään kaikesta on jostain syystä vaikea saada käsiä", sanoi Zhengchao Xia, Mak and Shanin ryhmän jatko-opiskelija, kun boorinitridihiutaleen tumma siluetti uhkasi irrota ja pudota takaisin alla olevalle piipinnalle. Madagaskarin muotoinen arkki takertui heikosti Saudi-Arabiaa muistuttavaan grafiittipalaan, aivan kuten paperi saattoi tarttua äskettäin hierotun ilmapallon rätisevään pintaan. Grafiitti puolestaan oli tarttunut lasilevyyn kiinnitettyyn tahmeaan muovikastepisaraan. Xia käytti tietokoneliitäntää ohjaamaan moottoroitua telinettä, joka tarttui diaan. Kuten pelihallissa kävijä saattaisi ohjailla kynsiä ohjaussauvalla, hän nosti pinon varovasti ilmaan nopeudella metrin viidennes miljoonasosa hiiren napsautusta kohden ja tuijotti tarkkaavaisesti tietokoneen näyttöä nähdäkseen, oliko hänellä onnistui nappaamaan boorinitridihiutaleen.
Hänellä oli. Muutamalla lisänapsautuksella kaksikerroksinen pino vapautui, ja Xia liikkui nopeasti mutta tarkoituksella levittääkseen hiutaleet kolmannelle materiaalille, johon oli upotettu räjähtäviä metallielektrodeja. Muutamalla napsautuksella hän lämmitti pintaa sulattaen objektilasin muoviliiman ennen kuin kumpikaan meistä ehti aivastaa mikroskooppisen laitteen pois.
"Näen aina painajaisen, että se vain katoaa", hän sanoi.
Xialta kesti alusta loppuun yli tunnin koota yksinkertaisen laitteen alaosa – joka vastaa avointa PB&J:tä. Hän näytti minulle toista pinoa, jonka hän oli äskettäin koonnut, ja räjähti pois muutamia ainesosia, joihin kuuluivat TMD:t volframidiselenidi ja molydelluridi. Yhdessä kymmenistä mikroskooppisista voileipistä, joita hän on rakentanut ja tutkinut viimeisen vuoden aikana, tässä Dagwood-laitteessa oli huikeat 10 kerrosta ja sen kokoaminen kesti useita tunteja.
Tämä 2D-materiaalien pinoaminen, jota tehdään myös Columbian, Massachusetts Institute of Technologyn, Berkeleyn, Harvardin ja muiden laitosten laboratorioissa, edustaa kondensoituneen aineen fyysikkojen pitkäaikaisen unelman toteutumista. Tutkijat eivät enää rajoitu maasta löydettyihin tai hitaasti laboratoriossa kasvatettuihin materiaaleihin. Nyt he voivat leikkiä Lego-palikoiden atomisella vastineella ja napsauttaa yhteen levyjä rakentaakseen räätälöityjä rakenteita, joilla on halutut ominaisuudet. Mitä tulee TMD-rakenteiden kokoamiseen, harvat ovat menneet Cornell-konserniin asti.
Makin ja Shanin ensimmäinen suuri löytö Cornellissa koski eksitoneja, vahvasti sidottuja elektronireikä-pareja, jotka he olivat nähneet TMD:ssä vuonna 2014. Excitonit kiehtovat fyysikot, koska nämä "kvasihiukkaset” voi tarjota kiertokulkutavan kondensoituneen aineen fysiikan ikuisen tavoitteen saavuttamiseksi: huoneenlämpötilan suprajohtavuuden.
Eksitonit pelaavat samoilla funky-säännöillä kuin elektroni-elektroni-parit; myös näistä elektroni-reikäpareista tulee bosoneja, mikä antaa niiden "tiivistyä" yhteiseen kvanttitilaan, joka tunnetaan Bose-Einstein-kondensaattina. Tämä kvasihiukkasten yhtenäinen lauma voi osoittaa kvanttiominaisuuksia, kuten superfluiditeettia, kykyä virrata ilman vastusta. (Kun superneste kuljettaa sähkövirtaa, se suprajohtaa.)
Mutta toisin kuin vastenmieliset elektronit, elektronit ja reiät rakastavat yhdistymistä. Tutkijat sanovat, että tämä mahdollisesti tekee niiden liimasta vahvemman. Eksitonipohjaisen suprajohtavuuden haasteena on estää elektroni täytymästä reikää ja saada sähköisesti neutraalit parit virtaamaan virrassa – kaikki mahdollisimman lämpimässä huoneessa. Toistaiseksi Mak ja Shan ovat ratkaisseet ensimmäisen ongelman ja heillä on suunnitelma toisen ratkaisemiseksi.
Atomipilviä voidaan houkutella muodostamaan kondensaatteja jäähdyttämällä ne hiuksen absoluuttisen nollan yläpuolelle tehokkailla lasereilla. Mutta teoreetikot ovat pitkään epäilleet, että eksitonien kondensaatteja voi muodostua korkeammissa lämpötiloissa. Cornell-ryhmä teki tästä ideasta totta pinoavilla TMD-levyillä. Kaksikerroksisen sandwichin avulla he laittoivat ylimääräisiä elektroneja yläkerrokseen ja poistivat elektroneja pohjasta jättäen reikiä. Elektronit ja reiät pariutuivat muodostaen eksitoneja, jotka ovat pitkäikäisiä, koska elektronien on vaikea hypätä vastakkaiseen kerrokseen neutraloidakseen kumppaneitaan. Lokakuussa 2019 ryhmä raportoituja merkkejä eksitonikondensaattia leutoisella 100 kelvinillä. Tässä asetelmassa eksitonit säilyivät kymmeniä nanosekunteja, elinikä tämän tyyppisille kvasihiukkasille. Syksyllä 2021, ryhmä kuvaili parannettua laitetta, jossa eksitonit näyttävät kestävän millisekunteja, jota Mak kutsui "käytännöllisesti katsoen ikuiseksi".
Joukkue jatkaa nyt järjestelmä teoreetikot keksivät vuonna 2008 eksitonivirran luomiseksi. Allan MacDonald, merkittävä kondensoituneen aineen teoreetikko Texasin yliopistossa Austinissa ja hänen jatko-opiskelijansa Jung-Jung Su ehdottivat neutraalien eksitonien virrattamisen aikaansaamista käyttämällä sähkökenttää, joka on suunnattu tavalla, joka kannustaa sekä elektroneja että reikiä liikkumaan samaan suuntaan. Saadakseen sen päätökseen laboratoriossa Cornell-ryhmän on jälleen kerran taisteltava ikuisen vihollisensa, sähkökontaktinsa kanssa. Tässä tapauksessa niiden on kiinnitettävä useita elektrodeja TMD-kerroksiin, joista jotkut valmistavat eksitonit ja toiset siirtämään niitä.
Shan ja Mak uskovat olevansa oikealla tiellä saadakseen eksitonit virtaamaan jopa 100 kelvinillä pian. Se on kylmä huone ihmiselle (-173 celsiusastetta tai -280 fahrenheit-astetta), mutta se on valtava harppaus nanokelvin-olosuhteista, joita useimmat bosoniset kondensaatit tarvitsevat.
"Se on sinänsä hieno saavutus", Mak sanoi ovelasti hymyillen, "lämmittää lämpötila miljardi kertaa."
Maagiset Moiré-materiaalit
Vuonna 2018, kun Cornellin laboratorio tehosti TMD-kokeitaan, toinen grafeeniyllätys käynnisti toisen 2D-materiaalien vallankumouksen. Pablo Jarillo-HerreroMIT:n tutkija ja toinen Columbia-aluna ilmoitti, että yhden grafeenikerroksen kiertäminen alla olevaan kerrokseen loi maagisen uuden 2D-materiaalin. Salaisuus oli pudottaa ylempi kerros niin, että sen kuusikulmiot laskeutuivat pienellä "kierteellä" niin, että niitä kierrettiin tasan 1.1 astetta alla olevia kuusikulmioita vasten. Tämä kulmavirhe aiheuttaa atomien välisen siirtymän, joka kasvaa ja kutistuu liikuttaessasi materiaalin poikki, jolloin syntyy toistuva kuvio suurista "supersoluista", jotka tunnetaan nimellä moiré superhila. MacDonald ja kollega olivat laskettu vuonna 2011 että 1.1 asteen "maagisessa kulmassa" superhilan ainutlaatuinen kiderakenne pakottaisi grafeenin elektronit hidastamaan ja aistimaan naapureidensa hylkimisen.
Kun elektronit tulevat tietoisiksi toisistaan, tapahtuu outoja asioita. Normaaleissa eristimissä, johtimissa ja puolijohteissa elektronien ajatellaan olevan vuorovaikutuksessa vain atomihilan kanssa; he juoksevat ympäriinsä liian nopeasti huomatakseen toisensa. Mutta hidastettuna ryömimään, elektronit voivat tönäistä toisiaan ja yhdessä omaksua valikoiman eksoottisia kvanttitiloja. Jarillo-Herreron kokeet osoittivat, että huonosti ymmärretty syistä tämä elektroni-elektroni-kommunikaatio kierretyssä, maagisen kulman grafeenissa aiheuttaa erityisen vahva suprajohtavuuden muoto.
Grafeenimoiré-superhila esitteli tutkijoille myös radikaalin uuden tavan hallita elektroneja. Superhilassa elektronit eivät huomaa yksittäisiä atomeja ja kokevat supersolut itse ikään kuin ne olisivat jättimäisiä atomeja. Tämän ansiosta supersolut on helppo täyttää riittävällä määrällä elektroneja kollektiivisten kvanttitilojen muodostamiseksi. Jarillo-Herreron ryhmä sai kierretyn kaksikerroksisen grafeenilaitteensa toimimaan suprajohteena käyttämällä sähkökenttää keskimääräisen elektronien määrän valitsemiseen supersolua kohti. eriste, tai näytä a lautta muita, vieraita elektronien käyttäytymistä.
Fyysikot ympäri maailmaa ryntäsivät "twistroniikan" syntymään. Mutta monet ovat havainneet, että vääntäminen on vaikeaa. Atomilla ei ole syytä pudota siististi "maagiseen" 1.1 asteen kohdistusvirheeseen, joten levyt rypistyvät tavoilla, jotka muuttavat niiden ominaisuuksia täysin. Cornellin jatko-opiskelija Xia sanoi, että hänellä on joukko ystäviä muissa yliopistoissa, jotka työskentelevät kierrettyjen laitteiden kanssa. Toimivan laitteen luominen vaatii yleensä kymmeniä yrityksiä. Ja silloinkin jokainen laite käyttäytyy eri tavalla, joten tiettyjä kokeita on lähes mahdotonta toistaa.
TMD:t ovat paljon helpompi tapa luoda moiré superhiloja. Koska eri TMD:issä on erikokoisia kuusikulmiohiloja, hieman suurempien kuusikulmioiden hilan pinoaminen pienemmän hilan päälle luo moiré-kuvion aivan kuten kulmavirhe. Tässä tapauksessa, koska kerrosten välillä ei ole pyörimistä, pino napsahtaa todennäköisemmin paikoilleen ja pysyy paikallaan. Kun Xia aikoo luoda TMD-moiré-laitteen, hän sanoi, että hän onnistuu yleensä neljä kertaa viidestä.
TMD-moiré-materiaalit ovat ihanteellisia leikkipaikkoja elektronien vuorovaikutusten tutkimiseen. Koska materiaalit ovat puolijohteita, niiden elektronit raskautuvat, kun ne löystyvät materiaalien läpi, toisin kuin grafeenin kiihkeät elektronit. Ja jättimäiset moiré-solut hidastavat niitä entisestään: kun elektronit liikkuvat usein atomien välillä "tunneloimalla", mikä on teleportaatiota muistuttava kvanttimekaaninen käyttäytyminen, tunnelointi tapahtuu harvoin moiré-hilassa, koska supersolut sijaitsevat noin 100 kertaa kauempana toisistaan kuin niiden sisällä olevat atomit. . Etäisyys auttaa elektroneja asettumaan ja antaa heille mahdollisuuden tuntea naapurit.
Shanin ja Makin ystävällinen kilpailija Feng Wang oli yksi ensimmäisistä, joka tunnisti TMD-moiré-superhilojen potentiaalin. Verhokäyrän taustalaskelmat ehdottivat, että näiden materiaalien pitäisi synnyttää yksi yksinkertaisimmista tavoista, joilla elektronit voivat organisoitua - tilan, joka tunnetaan nimellä Wigner-kide, jossa keskinäinen hylkiminen lukitsee letargiset elektronit paikoilleen. Wangin tiimi näki merkkejä sellaisista tiloista vuonna 2020 ja julkaistu ensimmäinen kuva elektroneja, jotka pitävät toisiaan käsivarren päässä luonto vuonna 2021. Siihen mennessä tieto Wangin TMD-moiré-toiminnasta oli jo levinnyt tiiviiseen 2D-fysiikkayhteisöön, ja Cornellin TMD-tehdas oli valmistamassa omia TMD-moiré-laitteitaan. Shan ja Mak raportoivat myös todisteita Wigner-kiteistä TMD-superhiloissa vuonna 2020 ja havaitsivat kuukausien kuluessa, että heidän laitteissaan olevat elektronit voivat kiteytyä melkein kaksi tusinaa erilaista Wigner-kidekuvioita.
Samaan aikaan Cornell-ryhmä teki myös TMD-moiré-materiaaleja sähkötyökaluksi. MacDonald ja yhteistyökumppanit oli ennustanut vuonna 2018, että näissä laitteissa on oikea yhdistelmä teknisiä ominaisuuksia, jotta ne edustavat täydellisesti yhtä tärkeimmistä lelumalleista kondensoituneen aineen fysiikan alalla. Hubbard-malli, kuten sitä kutsutaan, on teoretisoitu järjestelmä, jota käytetään ymmärtämään monenlaista elektronien käyttäytymistä. Itsenäisesti ehdotettu Martin Gutzwillerin, Junjiro Kanamorin ja John Hubbardin vuonna 1963 tekemä malli on fyysikkojen paras yritys riisua käytännöllisesti katsoen ääretön kidehila niiden olennaisimpiin piirteisiin. Kuvittele atomiverkko, jossa on elektroneja. Hubbard-malli olettaa, että jokainen elektroni tuntee kaksi kilpailevaa voimaa: Se haluaa liikkua tunneloimalla viereisiin atomeihin, mutta myös naapurit torjuvat sen, mikä saa sen haluamaan pysyä paikallaan. Erilaisia käyttäytymismalleja syntyy sen mukaan, mikä halu on vahvin. Ainoa Hubbard-mallin ongelma on, että kaikissa paitsi yksinkertaisimmassa tapauksessa - 1D-atomien sarjassa - se on matemaattisesti ratkaisematon.
MacDonaldin ja kollegoiden mukaan TMD-moiré-materiaalit voisivat toimia Hubbard-mallin "simulaattoreina" ja mahdollisesti ratkaista joitakin kentän syvimmistä mysteereistä, kuten liiman luonteesta, joka sitoo elektroneja suprajohtaviksi pareiksi kupraateissa. Sen sijaan, että kamppailisivat mahdottoman yhtälön kanssa, tutkijat voisivat vapauttaa elektroneja TMD-sandwichissa ja nähdä, mitä he tekivät. "Voimme kirjoittaa tämän mallin muistiin, mutta on erittäin vaikeaa vastata moniin tärkeisiin kysymyksiin", MacDonald sanoi. "Nyt voimme tehdä sen tekemällä kokeen. Se on todella uraauurtavaa.”
Hubbard-mallisimulaattorinsa rakentamiseksi Shan ja Mak pinosivat kerroksia volframidiselenidia ja volframisulfidia luodakseen moiré-superhilan, ja he kiinnittivät elektrodeja TMD-sandwichin läpi kulkevan sähkökentän kääntämiseksi ylös tai alas. Sähkökenttä ohjasi kuinka monta elektronia täyttäisi kunkin supersolun. Koska solut toimivat jättimäisinä atomeina, siirtyminen yhdestä elektronista kahteen elektroniin supersolua kohti oli kuin vetyatomien hilan muuntamista heliumatomien hilaksi. Heidän ensimmäinen Hubbard-mallijulkaisu in luonto maaliskuussa 2020 he raportoivat atomien simuloimisesta jopa kahdella elektronilla; tänään he voivat nousta kahdeksaan. Jossain mielessä he olivat ymmärtäneet muinaisen tavoitteen muuttaa lyijy kullaksi. "Se on kuin virittäisi kemiaa", Mak sanoi, "käymistä läpi jaksollisen järjestelmän." Periaatteessa ne voivat jopa loihtia ruudukon kuvitteellisista atomeista, joissa kussakin on esimerkiksi 1.38 elektronia.
Seuraavaksi ryhmä katsoi keinotekoisten atomien sydämiä. Lisäämällä elektrodeja he voisivat hallita supersolujen "potentiaalia" tekemällä muutoksia, jotka muistuttavat positiivisten protonien lisäämistä jättimäisten synteettisten atomien keskuksiin. Mitä enemmän varausta ytimellä on, sitä vaikeampi elektronien on tunneloida pois, joten tämä sähkökenttä antaa niiden nostaa ja laskea hyppytaipumusta.
Makin ja Shanin hallinta jättimäisiä atomeja – ja siten Hubbard-mallia – oli täydellinen. TMD-moiré-järjestelmän avulla he voivat kutsua ruudukon ersatz-atomeja, jopa sellaisia, joita ei ole luonnossa, ja muuttaa ne sujuvasti haluamallaan tavalla. Se on voima, joka jopa muiden alan tutkijoiden mielestä rajoittuu taikuuteen. "Jos haluaisin nostaa esiin heidän jännittävimmän ja vaikuttavimman ponnistelun, se on se", Kim sanoi.
Cornell-ryhmä käytti nopeasti suunnittelijaatomejaan ratkaistakseen 70 vuotta vanhan keskustelun. Kysymys kuului: Mitä jos voisit ottaa eristimen ja säätää sen atomeja muuttaaksesi sen johtavaksi metalliksi? Tapahtuuko muutos vähitellen vai äkillisesti?
Moiré-alkemiallaan Shan ja Mak suorittivat ajatuskokeen laboratoriossaan. Ensin he simuloivat raskaita atomeja, jotka vangitsivat elektroneja niin, että TMD-superhila toimi kuin eriste. Sitten ne kutistivat atomeja heikentäen ansaa, kunnes elektronit pääsivät hyppäämään vapauteen, jolloin superhilasta tuli johtava metalli. Tarkkailemalla vähitellen laskevaa sähkövastusta superhilan toimiessa yhä enemmän metallin tavoin he osoittivat, että siirtymä ei ole äkillinen. Tämä löytö, joka he ilmoittivat in luonto viime vuonna avaa mahdollisuuden, että superhilan elektronit voivat saavuttaa kauan etsityn juoksevuuden, joka tunnetaan nimellä kvantti spin neste. "Se voi olla mielenkiintoisin ongelma, jonka voi ratkaista", Mak sanoi.
Melkein samaan aikaan pariskunnalle kävi tuuri, jota jotkut fyysikot pitävät tähän mennessä merkittävimpänä löytönsä. "Se oli itse asiassa täydellinen onnettomuus", Mak sanoi. "Kukaan ei odottanut sitä."
Kun he aloittivat Hubbard-simulaattoritutkimuksensa, tutkijat käyttivät TMD-voileipiä, joissa kahden kerroksen kuusikulmiot ovat kohdakkain siirtymämetallien ollessa siirtymämetallien päällä ja kalkogenideja kalkogenidien päällä. (Silloin he havaitsivat asteittaisen siirtymisen eristeestä metalliin.) Sitten he sattuivat toistamaan kokeen laitteilla, joissa yläkerros oli pinottu taaksepäin.
Kuten ennenkin, vastus alkoi laskea, kun elektronit alkoivat hypätä. Mutta sitten se putosi äkillisesti ja meni niin alas, että tutkijat ihmettelivät, oliko moaré alkanut suprajohtaa. Tutkiessaan edelleen he kuitenkin mittasi harvinaisen vastustuskyvyn Tunnetaan kvanttipoikkeamana Hall-ilmiönä – todiste siitä, että jotain vielä oudompaa oli meneillään. Vaikutus osoitti, että laitteen kiderakenne pakotti materiaalin reunalla olevat elektronit toimimaan eri tavalla kuin keskellä. Laitteen keskellä elektronit jäivät loukkuun eristävään tilaan. Mutta kehän ympäri ne virtasivat yhteen suuntaan - selittäen erittäin alhaisen vastuksen. Sattumalta tutkijat olivat luoneet erittäin epätavallisen ja herkän aineen, joka tunnetaan nimellä Chernin eriste.
Kvanttipoikkeava Hall-efekti, havaittiin ensimmäisen kerran vuonna 2013, hajoaa yleensä, jos lämpötila nousee yli muutaman sadasosan kelvinistä. Vuonna 2019 Youngin ryhmä Santa Barbarassa oli nähnyt sen mukana kertaluonteinen kierretty grafeenivoileipä noin 5 kelvinissä. Nyt Shan ja Mak olivat saavuttaneet vaikutuksen lähes samassa lämpötilassa, mutta kiertymättömässä TMD-laitteessa, jonka kuka tahansa voi luoda uudelleen. "Meillä oli korkeampi lämpötila, mutta otan heidän lämpötilansa minä tahansa päivänä, koska he voivat tehdä sen 10 kertaa peräkkäin", Young sanoi. Tämä tarkoittaa, että voit ymmärtää sen "ja käyttää sitä todella tekemään jotain".
Mak ja Shan uskovat, että he voivat käyttää TMD-moiré-materiaaleja 50 tai 100 kelvinin kestävien Chern-eristeiden avulla. Jos ne onnistuvat, työ voi johtaa toiseen tapaan saada virta kulkemaan ilman vastusta - ainakin pienille "nanojohdoille", jotka ne voivat jopa kyetä kytkemään päälle ja pois tietyistä kohdista laitteessa.
Tutkimus Tasavallassa
Vaikka maamerkkitulokset kasaantuvat, pariskunta ei osoita merkkejä hidastumisesta. Vierailupäivänäni Mak katseli opiskelijoiden viimeistelevän kohoavaa laimennusjääkaappia, jonka avulla he voivat jäähdyttää laitteensa tuhat kertaa kylmempään lämpötilaan kuin mitä he ovat työskennelleet tähän mennessä. "Lämpimissä" olosuhteissa on löydetty niin paljon fysiikkaa, että ryhmällä ei ole ollut mahdollisuutta perusteellisesti etsiä suprajohtavuuden merkkejä syvemmästä kryogeenisesta maailmasta. Jos superjääkaappi antaa TMD:iden suprajohtaa, se vastaa vielä toiseen kysymykseen, joka osoittaa sen magnetismin muoto, joka on ominaista kupraateille (mutta puuttuu TMD:stä) ei ole elektroneja sitovan liiman olennainen ainesosa. "Se on kuin tappaisi yksi niistä tärkeistä komponenteista, jotka teoreetikot todella halusivat tappaa pitkään", Mak sanoi.
Hän ja Shan ja heidän ryhmänsä eivät ole edes alkaneet kokeilla joitakin hauskempia TMD:itä. Keksittyään vuosia laitteita, joita tarvitaan liikkumiseen 2D-materiaalien mantereella, he ovat vihdoin valmistautuneet menemään molydisulfidirannan ulkopuolelle, jolle he laskeutuivat vuonna 2010.
Kaksi tutkijaa selittävät menestyksensä yhteistyökulttuurilla, jonka he omaksuivat Columbiassa. He sanovat, että ensimmäinen yhteistyö Honen kanssa, joka tutustutti heidät molidisulfidiin, oli vain yksi monista mahdollisuuksista, joista he nauttivat, koska he saattoivat seurata uteliaisuuttaan. "Meidän ei tarvinnut keskustella" heidän suunnitelmistaan Heinzin, laboratorion johtajan, kanssa, Shan sanoi. "Puhuimme muiden ryhmien ihmisten kanssa. Teimme kokeita. Olemme jopa päättäneet asiat."
Nykyään he edistävät yhtä rentoa ympäristöä Cornellissa, jossa he valvovat pari tusinaa postdocia, vierailevia tutkijoita ja opiskelijoita, jotka kaikki ovat suurelta osin vapaita tekemään omia juttujaan. "Oppilaat ovat erittäin älykkäitä ja heillä on hyviä ideoita", Mak sanoi. "Joskus et halua puuttua asiaan."
Heidän avioliittonsa tekee myös heidän laboratoriosta ainutlaatuisen. He ovat oppineet tukeutumaan henkilökohtaisiin vahvuuksiinsa. Kokeilijan runsaan luovuuden lisäksi Shanilla on huolellinen kuri, mikä tekee hänestä hyvän johtajan; kun me kolme puhuimme, hän työnsi "professori Fai" usein takaisin raiteilleen, kun hänen innostus fysiikasta työnsi hänet liian syvälle teknisiin asioihin. Mak puolestaan nauttii työskentelystä uransa alkuvaiheessa olevien tutkijoiden kanssa sekä laboratoriossa että sen ulkopuolella. Hän aloitti äskettäin kalliokiipeilyn ryhmän kanssa. "Näyttää siltä, että heidän laboratorionsa on heidän perheensä", Young sanoi. Shan ja Mak kertoivat minulle, että he saavuttavat yhdessä enemmän kuin yksin. "Yksi plus yksi on enemmän kuin kaksi", Mak sanoi.
Heidän rakentamansa laitteet voivat myös pinota enemmän kuin niiden osien summa. Kun tutkijat yhdistävät TMD-levyjä luodakseen eksitoneja ja moiré-superhiloja, he pohtivat, kuinka uudet elektronien kesyttämistavat voivat ylivaroittaa teknologiaa. Vaikka taskuvalmis suprajohtavuus jää vaikeaksi, Bose-Einstein-kondensaatit voivat johtaa erittäin herkkiin kvanttiantureihin, ja Chernin kaltaisten eristeiden parempi hallinta voisi mahdollistaa tehokkaita kvanttitietokoneita. Ja nämä ovat vain ilmeisiä ajatuksia. Materiaalitieteen asteittaiset parannukset johtavat usein radikaaleihin sovelluksiin, joita harva näki tulossa. Esimerkiksi transistorin kehittäneiden tutkijoiden olisi ollut vaikea ennustaa älypuhelimia, joissa on miljardeja mikroskooppisia kytkimiä, jotka on täytetty kynnen kokoiseen siruun. Ja tutkijat, jotka yrittivät valmistaa lasikuituja, jotka voisivat kuljettaa valoa heidän laboratoriopenkissään, eivät olleet voineet ennakoida, että 10,000 XNUMX kilometriä merenalaisia optisia kuituja yhdistäisi joskus maanosia. Kaksiulotteiset materiaalit voivat kehittyä samoin arvaamattomiin suuntiin. "Todella uusi materiaalialusta luo omia sovelluksiaan sen sijaan, että se syrjäyttäisi olemassa olevia materiaaleja", sanoi Heinz.
Ajatessaan minut Ithacan bussipysäkille Shan ja Mak kertoivat minulle äskettäisestä (ja harvinaisesta) lomastaan, jonka he matkustivat Banffiin, Kanadaan, missä he osoittivat jälleen taitonsa kompastua yllätyksiin ponnistelun ja onnen yhdistelmällä. He olivat viettäneet päiviä yrittäessään - turhaan - havaita karhun. Sitten matkan lopussa, matkalla lentokentälle, he pysähtyivät venyttelemään jalkojaan kasvitieteelliselle suojelualueelle ja löysivät itsensä kasvotusten mustan karhun kanssa.
Vastaavasti tiivistetyn aineen fysiikan kanssa heidän lähestymistapansa on vaeltaa yhdessä uudessa maisemassa ja nähdä, mitä sieltä tulee. "Meillä ei ole paljon teoreettista ohjausta, mutta me vain pelleilemme ja leikimme kokeiluilla", Mak sanoi. "Se voi epäonnistua, mutta joskus voit törmätä johonkin hyvin odottamattomaan."
