A molibdenit még a gyakorlott szem számára is majdnem teljesen megegyezik a grafittal – egy fényes, ezüstös kristály. Hasonlóan működik, úgy eltávolítja a pelyheket, hogy jó ceruzával töltse be. De egy elektron számára a két atomrács különböző világokat alkot. A megkülönböztetés először 244 évvel ezelőtt került be a tudományos nyilvántartásba. Carl Scheele, egy svéd vegyész, aki az oxigén felfedezéséről híres, minden ásványt válogatott savakba merített, és figyelte a gomolygó gázfelhőket. Scheele, aki végül életével fizetett ezért a megközelítésért, amikor 43 évesen halt meg feltételezett nehézfémmérgezésben, arra a következtetésre jutott, hogy a molibdenit új anyag. A Svéd Királyi Tudományos Akadémiának 1778-ban írt levelében ezt írta: „Itt nem az általánosan ismert grafitra gondolok, amelyet a patikusban lehet beszerezni. Úgy tűnik, ez az átmeneti fém ismeretlen.”
A molibdenit porszerű darabokra való hajlamával népszerű kenőanyaggá vált a 20. században. Segített a síléceknek messzebbre siklani a hóban, és kisimította a puskacsövekből származó golyók kijutását Vietnamban.
Napjainkban ugyanez a zűrzavar táplálja a fizika forradalmát.
Az áttörések a grafittal és a szalaggal kezdődtek. A kutatók 2004-ben véletlenül fedezték fel, hogy ragasztószalaggal eltávolíthatják a mindössze egy atom vastagságú grafitdarabokat. Ezek a kristályos lapok, amelyek mindegyike szénatomok lapos csoportja, elképesztő tulajdonságokkal rendelkezett, amelyek gyökeresen különböztek a háromdimenziós kristályokétól, amelyekből származtak. A grafén (ahogyan felfedezői nevezték) egy teljesen új anyagkategória – egy 2D-s anyag. Felfedezése átalakította a kondenzált anyag fizikáját, a fizika azon ágát, amely az anyag sokféle formájának és viselkedésének megértésére törekszik. Majdnem a fele a fizikusok közül a sűrített anyag fizikusai; ez az a részterület, amely számítógépes chipeket, lézereket, LED izzókat, MRI-gépeket, napelemeket és mindenféle modern technológiai csodát hozott nekünk. A grafén felfedezése után kondenzált anyagú fizikusok ezrei kezdték el tanulmányozni az új anyagot, abban a reményben, hogy az a jövő technológiáinak alapja lesz.
Grafén felfedezői 2010-ben megkapták a fizikai Nobel-díjat. Ugyanebben az évben a Columbia Egyetem két fiatal fizikusa, Jie Shan és a Kin Fai Mak, jeleket látott arra, hogy a molibdenit pelyhek még a grafénnél is varázslatosabbak lehetnek. A kevésbé ismert ásványnak olyan tulajdonságai vannak, amelyek miatt nehéz tanulmányozni – sok laboratórium számára túl kemény –, de Shant és Makot magával ragadta. A kitartó páros közel egy évtizedet szentelt a 2D-s molibdenit (vagy molibdén-diszulfid, ahogy a kristály laboratóriumban termesztett változatának nevezik) és egy közeli rokon 2D-kristálycsalád vitájának.
Most fáradozásuk kifizetődik. Shan és Mak, akik ma már házasok, és a Cornell Egyetemen közös kutatócsoportot vezetnek, kimutatták, hogy a molibdén-diszulfid és rokonai 2D kristályai egzotikus kvantumjelenségek óriási változatosságát idézhetik elő. – Ez egy őrült játszótér – mondta James Hone, a Columbia kutatója, aki kiváló minőségű kristályokkal látja el a Cornell laboratóriumot. "Az összes modern kondenzált anyag fizikáját egyetlen anyagrendszerben is elvégezheti."
Shan és Mak csoportja példátlan módon viselkedő elektronokat fogott be ezekben a lapos kristályokban. Rábeszélték a részecskéket, hogy kvantumfolyadékká egyesüljenek, és jégszerű struktúrák széles választékává fagyjanak. Megtanultak gigantikus mesterséges atomokból álló rácsokat összeállítani, amelyek most az alapvető anyagelméletek tesztágyaként szolgálnak. Cornell laboratóriumuk 2018-as megnyitása óta az elektronszelídítő mesterek nyolc tanulmányt publikáltak. Természet, a tudomány legrangosabb folyóirata, valamint egy csomó további cikk. A teoretikusok szerint a házaspár egyre jobban megérti, mire képesek az elektrontömegek.
Kutatásuk „sok szempontból mélyen lenyűgöző” – mondta Philip Kim, a Harvard Egyetem kiemelkedő kondenzált anyag fizikusa. – Azt mondanám, szenzációs.
A 2D-s anyagok felemelkedése
Egy anyag tulajdonságai általában azt tükrözik, amit az elektronok csinálnak. Az olyan vezetőkben, mint a fémek, például az elektronok könnyedén vitorláznak az atomok között, és elektromosságot hordoznak. Az olyan szigetelőkben, mint a fa és az üveg, az elektronok a helyükön maradnak. A félvezetők, mint a szilícium, ezek közé esnek: elektronjaik energiabeáramlással mozgásra kényszeríthetők, így ideálisak az áramok be- és kikapcsolására – ez egy tranzisztor feladata. Az elmúlt 50 év során a három alapvető elektronviselkedés mellett a kondenzált anyag fizikusai azt tapasztalták, hogy a könnyű töltésű részecskék sokkal egzotikusabb módon viselkednek.
Az egyik drámaibb meglepetés 1986-ban történt, amikor az IBM két kutatója, Georg Bednorz és Alex Müller észlelt egy réz-oxid („cuprate”) kristályon áthaladó elektronok árama mindenféle ellenállás nélkül. Ezt a szupravezetést – az elektromos áram tökéletes hatásfokkal való áramlását – korábban is tapasztalták, de csak jól érthető okokból az abszolút nulla fokon belülre hűtött anyagoknál. Ezúttal Bednorz és Müller a jelenség rejtélyes formáját figyelték meg, amely rekordot döntõ 35 kelvinnél (vagyis 35 fokkal az abszolút nulla felett) tartott fenn. A tudósok hamarosan más kuprátokat is felfedeztek, amelyek 100 kelvin feletti szupravezető képességgel rendelkeznek. Megszületett egy álom, amely ma is talán a kondenzált anyag fizikának az első számú célja: olyan anyag megtalálása vagy megtervezése, amely képes szupravezetni az elektromosságot forró, nagyjából 300 kelvines világunkban, lehetővé téve a veszteségmentes távvezetékeket, a lebegtető járműveket és más, rendkívül hatékony eszközöket, jelentősen csökkentené az emberiség energiaszükségletét.
A szupravezetés kulcsa az elektronok koaxálása, amelyek általában taszítják egymást, és bozonként ismert entitásokat alkotnak. A bozonok ezután együttesen súrlódásmentes kvantumfolyadékká olvadhatnak. A bozonokat létrehozó vonzó erők, például az atomi rezgések, általában csak kriogén hőmérsékleten, ill. magas nyomás. De ezeknek az extrém körülményeknek az igénye megakadályozta, hogy a szupravezetés utat találjon a mindennapi eszközökben. A kuprátok felfedezése felkeltette a reményt, hogy a megfelelő atomrács olyan erősen „összeragasztja” az elektronokat, hogy azok még szobahőmérsékleten is megragadnak.
Bednorz és Müller felfedezése után 40 évvel a teoretikusok még mindig nem teljesen biztosak abban, hogyan működik a kuprátban lévő ragasztó, és még kevésbé, hogy hogyan kell az anyagokat megerősíteni. Így a kondenzált anyag fizikával kapcsolatos kutatások nagy része próba- és hibakeresés olyan kristályok után, amelyek képesek elektronjaikat párban tartani, vagy más csodálatos módon terelgetni az elektronokat. "A kondenzált anyag a fizika egyik ága, amely lehetővé teszi a serendipeket" - mondta Kim. Ilyen volt a 2004D-s anyagok 2-es felfedezése.
Andre Geim és a Konstantin Novoselov, grafittal dolgozik a Manchesteri Egyetemen az Egyesült Királyságban, felfedezett az anyag pelyhességének megdöbbentő következménye. A grafitkristály szénatomokat tartalmaz lazán kötött hatszöglapokba rendezve. A teoretikusok régóta azt jósolták, hogy a köteg stabilizáló hatása nélkül a hő által kiváltott rezgések széttörnek egy egyrétegű lapot. De Geim és Novoselov úgy találta, hogy stabil, atomosan vékony lapokat is le tudnak húzni a Scotch ragasztószalagnál és kitartással. A grafén volt az első igazán lapos anyag – egy sík, amelyen az elektronok csúszhatnak, de nem fel-le.
Hone, a Columbia fizikusa felfedezte, hogy a világ legvékonyabb anyaga valahogy az a legerősebb is. Ez figyelemre méltó felfordulás volt egy olyan anyag számára, amelyről a teoretikusok úgy gondolták, hogy egyáltalán nem lógnak össze.
Ami a fizikusokat leginkább felkeltette a grafén kapcsán, az az, hogy a szén síkvidék hogyan alakította át az elektronokat: semmi sem tudta lelassítani őket. Az elektronokat gyakran megbotlik az atomrács, amelyen keresztül mozognak, és nehezebben hatnak, mint a tankönyv szerinti tömegük (a szigetelő mozdulatlan elektronjai úgy viselkednek, mintha végtelen tömegűek lennének). A grafén lapos rácsa azonban másodpercenként millió méteres sebességgel száguld az elektronok között – ez csak néhány százszor lassabban, mint a fénysebesség. Ezzel az állandó, hólyagos sebességgel az elektronok úgy repültek, mintha egyáltalán nem lenne tömegük, és rendkívüli (bár nem szuper) vezetőképességgel áldották meg a grafént.
Egész mezőny bontakozott ki a csodaanyag körül. A kutatók is elkezdtek tágabban gondolkodni. Más anyagok kétdimenziós pelyhei hordozhatnak saját szuperképességeket? Hone is azok közé tartozott, akik elágaztak. 2-ben megmérte a grafit doppelgängerének, a molibdén-diszulfidnak néhány mechanikai tulajdonságait, majd átadta a kristályt Tony Heinz Columbia laboratóriumának két optikai szakemberének. Ez egy alkalmi lépés volt, amely megváltoztatta minden érintett karrierjét.
A molibdén-diszulfid minta Jie Shan, pályafutása elején vendégprofesszor és Kin Fai Mak, végzős hallgató kezében landolt. A fiatal páros a grafén és a fénnyel való kölcsönhatást tanulmányozta, de már elkezdtek álmodozni más anyagokról. A grafén gyors elektronjai fantasztikus vezetővé teszik, de amit akartak, az egy 2D-s félvezető volt – egy olyan anyag, amelynek elektronáramát be- és kikapcsolni tudják, és ami ezért tranzisztorként is szolgálhat.
A molibdén-diszulfidról ismert volt, hogy félvezető. Shan és Mak pedig hamarosan rájöttek, hogy a grafithoz hasonlóan további erőkre tett szert a 2D-ben. Amikor lézerrel ráirányítottak a „moly-diszulfid” 3D kristályaira (ahogy szeretettel hívják), a kristályok sötétek maradtak. De amikor Shan és Mak rétegeket tépett le szalaggal, lézerrel megütötte, és mikroszkóp alatt megvizsgálta őket, látták, hogy a 2D lapok fényesen ragyognak.
Más csoportok kutatásai később megerősítették, hogy egy szorosan összefüggő anyagból készült, jól elkészített lapok minden utolsó fotont tükröznek, amely eltalálja őket. „Ez egyfajta elgondolkodtató” – mondta Mak nemrég, amikor találkoztam vele és Shannel a közös irodájukban, Cornellben. "Csak egyetlen atomlapja van, és a fény 100%-át képes visszaverni, mint egy tökéletes tükör." Rájöttek, hogy ez a tulajdonság látványos optikai eszközökhöz vezethet.
Függetlenül, Feng Wang, a Berkeley-i Kaliforniai Egyetem fizikusa ugyanezt a felfedezést tette. Egy 2D-s anyag, amely erősen tükrözött, és egy félvezető, ami a rendszerindításhoz szükséges volt, felkeltette a közösség figyelmét. Mindkét csoportok eredményeiket 2010-ben publikálták; a lapok azóta több mint 16,000 2 idézetet kaptak közöttük. „Mindenki, aki lézerrel rendelkezik, nagyon elkezdett érdeklődni a XNUMXD anyagok iránt” – mondta Hone.
Azáltal, hogy a mol-diszulfidot második 2D-s csodaanyagként azonosították, a két csoport 2D-s anyagok egész kontinensére érkezett. A mol-diszulfid az átmenetifém-dikalkogenidek (TMD) néven ismert anyagok családjába tartozik, amelyben a periódusos rendszer fémes középső régiójából származó atomok, például a molibdén kalkogenidekként ismert kémiai vegyületpárokhoz, például kénhez kapcsolódnak. A moldiszulfid az egyetlen természetben előforduló TMD, de vannak ilyenek még több tucat amit a kutatók laboratóriumokban tudnak felkutatni – wolfram-diszulfidot, molibdén-ditelluridot és így tovább. A legtöbb gyengén kötésű lapokat alkot, így érzékenyek a szalag üzleti oldalára.
Az izgalom kezdeti hulláma azonban hamar alábbhagyott, mivel a kutatók küzdöttek azért, hogy a TMD-k ne csak ragyogjanak. Wang csoportja például visszaesett a grafénre, miután rájött, hogy nem tudnak könnyen fémelektródákat rögzíteni a mol-diszulfidhoz. „Ez volt a buktatója a csoportunknak jó néhány éve” – mondta. "Még most sem vagyunk túl jók a kapcsolatteremtésben." Úgy tűnt, hogy a TMD-k fő előnye a grafénnel szemben a legnagyobb gyengeségük is: egy anyag elektronikus tulajdonságainak tanulmányozásához a kutatóknak gyakran elektronokat kell belenyomniuk, és meg kell mérniük a keletkező áram ellenállását. De mivel a félvezetők rossz vezetők, nehéz elektronokat be- vagy kijuttatni.
Mak és Shan kezdetben ambivalensnek érezték magukat. „Valóban nem volt világos, hogy tovább dolgozzunk a grafénen, vagy kezdjünk el dolgozni ezen az új anyagon” – mondta Mak. "De mivel azt találtuk, hogy rendelkezik ezzel a szép tulajdonsággal, folytattunk néhány további kísérletet."
Munkájuk során a két kutatót egyre jobban elbűvölte a moldiszulfid és egymás. Kezdetben professzionális volt a kapcsolattartásuk, amely nagyrészt kutatási célú e-mailekre korlátozódott. „Fai gyakran kérdezte: „Hol van az a berendezés? Hová tetted ezt?” – mondta Shan. De végül a hosszú órákig tartó és a kísérleti sikerek által katalizált kapcsolatuk romantikussá vált. „Túl gyakran láttuk egymást, szó szerint ugyanabban a laborban, ugyanazon a projekten dolgoztunk” – mondta Mak. „A nagyon jól működő projekt is boldoggá tett minket.”
Minden fizika mindig
Két elhivatott, vasfegyelemmel rendelkező fizikus együttműködésére lenne szükség ahhoz, hogy a problémás TMD-ket a lábra állítsák.
Az akadémikusok mindig könnyen jöttek Shanhoz. Az 1970-es években nőtt fel a tengerparti Zhejiang tartományban, sztártanuló volt, matematikából, természettudományokból és nyelvből kitűnően teljesített, és hőn áhított helyet szerzett a Kínai Tudományos és Technológiai Egyetemen Hefeiben. Ott megszerezte a képesítést a Kína és a Szovjetunió közötti szelektív kulturális csereprogramra, és megragadta a lehetőséget, hogy oroszt és fizikát tanuljon a Moszkvai Állami Egyetemen. „Amikor tinédzser vagy, alig várod, hogy felfedezd a világot” – mondta. – Nem haboztam.
Azonnal többet látott a világból, mint amennyire megalkudott. A vízumproblémák néhány hónappal késleltették Oroszországba érkezését, és elvesztette a nyelvi programban való részvételét. A hatóságok másik utat találtak neki, és nem sokkal a moszkvai leszállás után vonatra szállt, és 5,000 kilométert utazott keletre. Három nappal később a tél beálltával megérkezett Irkutszk városába, Szibéria közepén. „Azt a tanácsot kaptam, hogy „Soha, soha semmihez ne nyúlj kesztyű nélkül”, nehogy elakadjon – mondta.
Shan viselte a kesztyűt, egyetlen félév alatt megtanult oroszul, és elkezdte értékelni a téli táj lenyűgöző szépségét. Amikor a kurzus véget ért és a hó elolvadt, visszatért a fővárosba, hogy megkezdje fizikusdiplomáját, és 1990 tavaszán érkezett Moszkvába, a Szovjetunió felbomlása közepette.
Kaotikus évek voltak azok. Shan tankokat látott gördülni az utcákon az egyetem közelében, miközben a kommunisták megpróbálták visszaszerezni az irányítást a kormány felett. Egy másik alkalommal, közvetlenül egy záróvizsga után verekedés tört ki. „Lövöldözést hallottunk, és azt mondták nekünk, hogy kapcsoljuk le a villanyt a kollégiumban” – mondta. Az élelmiszertől a WC-papírig mindent kuponrendszeren keresztül adagoltak. Mindazonáltal Shan úgy érezte, hogy ihlette professzorainak rugalmassága, akik a zűrzavar ellenére folytatták kutatásaikat. „A körülmények kemények voltak, de sok tudósnak volt ilyen hozzáállása. Igazán szeretik, amit csinálnak, annak ellenére, hogy mi történik” – mondta.
Ahogy a világrend összeomlott, Shan kitüntette magát, kiadott egy elméleti optikai tanulmányt, amely felkeltette Heinz figyelmét a Columbiában. Bátorította, hogy jelentkezzen, és átköltözött New Yorkba, ahol időnként segített más nemzetközi hallgatóknak megvetni a lábát egy idegen országban. Wangot például Heinz laboratóriumába toborozta, és megosztott kísérleti tippeket. "Megtanított arra, hogyan legyek türelmes" - mondta, és "hogyan ne legyek csalódott a lézerben."
A legtöbb kutató a doktori fokozat megszerzése után posztdoktori állást foglal el, de Shan 2001-ben közvetlenül csatlakozott a Case Western Reserve University-hez, mint docens. Néhány évvel később, egy szabadnapján visszatért Heinz kolumbiai laboratóriumába. Egyszer csak véletlen volt az időzítése. Együttműködni kezdett egy bájos és csillogó szemű végzős hallgatóval Heinz csoportjában, a Kin Fai Mak-kal.
Mak egy másik, kevésbé viharos utat követett New Yorkba. Hongkongban nőtt fel, és az iskolában küszködött, mivel a fizikán kívül kevés volt számára értelme. „Ez volt az egyetlen dolog, amit szeretek, és amiben jó is voltam, ezért a fizikát választottam” – mondta.
A Hongkongi Egyetemen végzett egyetemi kutatásai kiemelkedtek, és Heinz felvette, hogy csatlakozzon a Columbia virágzó kondenzáltanyag-fizikai programjához. Ott belevetette magát a kutatásba, és szinte minden ébren töltött óráját a laborban töltötte, kivéve az időnkénti intramurális focimeccset. Andrea Young diplomás diáktársa (jelenleg a Santa Barbara-i Kaliforniai Egyetem adjunktusa) megosztott egy lakást Mak-kal a West 113. utcában. „Szerencsém volt, ha elkaphattam hajnali 2 órakor, hogy főzzön egy kis tésztát és beszéljen a fizikáról. Mindig fizika volt” – mondta Young.
De a jó idő nem tartott. Nem sokkal azután, hogy Younggal együtt kirándulást tett a kolumbiai Amazonas esőerdőjébe, Mak megbetegedett. Orvosai nem tudták mit kezdeni a rejtélyes vizsgálati eredményeivel, és betegebb lett. Egy szerencsés véletlen mentette meg az életét. Young leírta a helyzetet apjának, egy orvoskutatónak, aki azonnal felismerte az aplasztikus anémia jeleit – egy szokatlan vérbetegséget, amely történetesen saját kutatásának tárgya volt. „Először is nagyon ritka az ilyen betegség” – mondta Mak. – És még ritkább az olyan betegség, amiben a szobatársad apja jártas.
Young apja segített Maknak kísérleti kezelésekre jelentkezni. A posztgraduális iskola utolsó évének nagy részét a kórházban töltötte, és többször is a halál közelébe került. A megpróbáltatások során Mak fizika iránti lelkesedése arra késztette, hogy folytassa a munkát. – Írt PRL leveleket a kórházi ágyáról – mondta Young a naplóra utalva Fizikai áttekintés betűk. „Mindennek ellenére ő volt az egyik legeredményesebb diák valaha” – mondta Heinz. – Valami csoda volt.
A további kezelések végül segítettek Maknak a teljes felépülésben. Young, aki maga is jól ismert kísérletező, később így viccelődött a beavatkozásairól: „Barátaim között ezt nevezem a fizikához való legnagyobb hozzájárulásomnak.”
Into the 2D Wilderness
Mak 2012-ben költözött Cornellhez posztdoktori kutatóként, ekkor Shan már visszatért Case Westernhez. Egyéni projekteket folytattak grafénnel és más anyagokkal, de közösen folytatták a TMD-k további titkainak feltárását is.
A Cornellben Mak megtanulta az elektrontranszport-mérés művészetét – az optika mellett az elektronok mozgásának megjóslásának másik fő módszerét. Ez a szakértelem kettős fenyegetéssé tette őt és Shant egy olyan területen, ahol a kutatók jellemzően az egyik vagy a másik típusra specializálódtak. „Amikor találkozom Fai-val és Jie-vel, panaszkodok: „Igazságtalan, hogy ti fuvaroztok” – mondta Kim. "Mit kellene tennem?"
Minél többet tanult a duó a TMD-kről, annál érdekesebbé vált. A kutatók általában az elektronok két tulajdonságának egyikére összpontosítanak: a töltésükre és a spinükre (vagy a belső szögimpulzusra). Az elektromos töltés áramlásának szabályozása a modern elektronika alapja. Az elektronok spinjének megfordítása pedig „spintronikai” eszközökhöz vezethet, amelyek több információt csomagolnak kisebb helyekre. 2014-ben Mak segített felfedezni hogy a 2D mol-diszulfidban lévő elektronok egy különleges, harmadik tulajdonságra tehetnek szert: ezeknek az elektronoknak meghatározott mértékű lendülettel kell mozogniuk, ez a „völgy” néven ismert, szabályozható tulajdonság, amely a kutatók feltételezése szerint a „valleytronics” technológia egy harmadik területét is létrehozhatja.
Ugyanebben az évben Mak és Shan azonosították a TMD-k egy másik feltűnő tulajdonságát. Nem az elektronok az egyetlen entitások, amelyek áthaladnak egy kristályon; A fizikusok a „lyukakat” is nyomon követik, azokat az üresedéseket, amelyek akkor keletkeznek, amikor az elektronok máshol ugrálnak. Ezek a lyukak valódi pozitív töltésű részecskékként vándorolhatnak az anyagok között. A pozitív lyuk vonzza a negatív elektront, hogy egy múló partnerséget, úgynevezett excitont hozzon létre, abban a pillanatban, mielőtt az elektron betömi a lyukat. Shan és Mak mérte a vonzerőt elektronok és lyukak között a 2D volfrám-diszelenidben, és több százszor erősebbnek találta, mint egy tipikus 3D-s félvezetőben. A felfedezés arra utalt, hogy a TMD-k excitonjai különösen robusztusak lehetnek, és általában az elektronok nagyobb valószínűséggel csinálnak mindenféle furcsa dolgot.
A pár közös pozíciókat szerzett a Pennsylvaniai Állami Egyetemen, és ott labort indítottak. Végül meggyőződve arról, hogy a TMD-kre érdemes feltenni karrierjüket, új csoportjuk középpontjába az anyagokat tették. Össze is házasodtak.
Eközben Hone csapata a Columbiában azt tapasztalta, hogy a grafén tulajdonságai még szélsőségesebbé válnak, amikor egy kiváló minőségű szigetelőre, a bór-nitridre helyezték. Korai példája volt a 2D anyagok egyik legújszerűbb aspektusának: egymásra rakhatóságuknak.
Helyezzen egyik 2D-s anyagot a másikra, és a rétegek egy nanométer töredéknyire helyezkednek el egymástól – elektronjaik szemszögéből nézve egyáltalán nincs távolság. Ennek eredményeként a halmozott lapok hatékonyan egyesülnek egyetlen anyaggá. „Ez nem csak két anyag együtt” – mondta Wang. – Valóban új anyagot hozol létre.
Míg a grafén kizárólag szénatomokból áll, a TMD rácsok változatos családja több tucat további elemet hoz a halmozási játékba. Minden TMD-nek megvannak a saját belső képességei. Némelyik mágneses; mások szupravezetők. A kutatók alig várták, hogy összekeverjék és összeilleszthessék őket a divatos anyagokkal kombinált erejükkel.
De amikor Hone csoportja mol-diszulfidot helyezett egy szigetelőre, a köteg tulajdonságai halványan javultak a grafénnél tapasztaltakhoz képest. Végül rájöttek, hogy nem ellenőrizték a TMD kristályok minőségét. Amikor néhány kollégájuk az egyes atomok feloldására képes mikroszkóp alá helyezte a mol-diszulfidot, elkábították őket. Néhány atom rossz helyen ült, míg mások teljesen eltűntek. 1 rácshely közül 100-nél volt valamilyen probléma, ami akadályozta a rács elektronok irányítását. A grafén ehhez képest a tökéletesség képe volt, nagyjából egy hibával millió atomonként. „Végül rájöttünk, hogy a cucc, amit vásároltunk, teljes szemét” – mondta Hone.
2016 körül úgy döntött, hogy a kutatási minőségű TMD-k gyártásával foglalkozik. Toborzott egy posztdoktort, Daniel Rhodes, tapasztalattal a kristályok termesztésében nyersanyagok porainak rendkívül magas hőmérsékleten történő megolvasztásával, majd glaciális ütemben történő hűtésével. „Olyan ez, mintha vízben lévő cukorból kőcukrot növesztenénk” – magyarázta Hone. Az új folyamat egy hónapot vett igénybe, szemben a kereskedelmi módszerek néhány napjával. De több száz-ezerszer jobb TMD-kristályokat állított elő, mint a vegyipari katalógusokban kaphatók.
Mielőtt Shan és Mak kihasználhatták volna Hone egyre érintetlenebb kristályait, szembe kellett nézniük azzal a nem elbűvölő feladattal, hogy kitalálják, hogyan dolgozzanak olyan mikroszkopikus pelyhekkel, amelyek nem szeretik az elektronokat. Az elektronok bepumpálásához (a szállítási technika alapját, amelyet Mak posztdoktoriként használt fel), a házaspár számtalan részlet megszállottja volt: milyen típusú fémet használjon az elektródához, milyen messze helyezze el a TMD-től, és még milyen vegyszereket is. használja az érintkezők tisztítására. Az elektródák felállításának végtelen módjának kipróbálása lassú és fáradságos volt – „időigényes folyamat ennek vagy annak apránkénti finomításának” – mondta Mak.
Éveket töltöttek azzal is, hogy kitalálják, hogyan emeljék fel és rakják egymásra a mikroszkopikus pelyheket, amelyek átmérője mindössze a méter tized milliomod része. Ezzel a képességgel, valamint Hone kristályaival és továbbfejlesztett elektromos érintkezőivel minden összeállt 2018-ban. A házaspár a New York állambeli Ithacába költözött, hogy új pozíciókat töltsön be a Cornellnél, és úttörő eredmények sorozata ömlött ki a laborjukból.
Áttörés a Cornellnél
„Ma valamiért nehéz mindent felvenni” – mondta Zhengchao Xia, Mak and Shan csoportjának végzős hallgatója, miközben egy bór-nitrid-pehely sötét sziluettje azzal fenyegetett, hogy leválik, és visszaesik az alatta lévő szilícium felületre. A Madagaszkár alakú lap gyengén tapadt egy Szaúd-Arábiára emlékeztető grafitdarabra, akárcsak a papír egy nemrégiben dörzsölt léggömb recsegő felületéhez. A grafit pedig egy üveg tárgylemezre erősített ragacsos harmatcsepphez ragadt. A Xia számítógépes interfész segítségével irányította a csúszdát markoló motoros állványt. Mint ahogy egy játékterem-látogató manőverezhet egy karmos gépet egy joystick segítségével, óvatosan felemelte a rakatot a levegőbe, egérkattintásonként egyötöd milliomod méter sebességgel, és figyelmesen bámulta a számítógép monitorát, hátha sikeresen elkapta a bór-nitrid pelyhet.
Neki volt. Néhány további kattintással a kétrétegű köteg szabaddá vált, és Xia gyorsan, de megfontoltan mozgott, hogy a pelyheket egy harmadik anyagra rakja, amelybe szétterülő fémelektródák kerültek. Néhány további kattintással felmelegítette a felületet, megolvasztva a tárgylemez műanyag ragasztóját, mielőtt bármelyikünk tüsszenthette volna a mikroszkopikus eszközt.
„Mindig azt a rémálmom van, hogy egyszerűen eltűnik” – mondta.
Az elejétől a végéig a Xia-nak több mint egy órába telt összeszerelni egy egyszerű eszköz alsó felét – ami egy nyitott PB&J-nek felel meg. Megmutatta nekem egy másik köteget, amit nemrég állított össze, és lemorzsolt néhány összetevőt, köztük a TMD-ket, a volfrám-diszelenidet és a moly-ditelluridot. A több tucat mikroszkopikus szendvics egyike, amelyet az elmúlt évben épített és tanulmányozott, ez a Dagwood egy hatalmas 10 rétegből állt, és több órát vett igénybe az összeállítása.
Ez a 2D-s anyagok egymásra rakása, amelyet a Columbia, a Massachusetts Institute of Technology, a Berkeley, a Harvard és más intézmények laboratóriumaiban is végeznek, a kondenzáltanyag-fizikusok régóta dédelgetett álmának megvalósulását jelenti. A kutatók többé nem korlátozódnak a földben talált vagy lassan, laboratóriumban termesztett anyagokra. Most már játszhatnak a Lego kockák atomi megfelelőjével, lapokat pattintva össze, hogy testreszabott szerkezeteket építsenek a kívánt tulajdonságokkal. Ami a TMD-szerkezetek összeszerelését illeti, kevesen jutottak el a Cornell-csoportig.
Mak és Shan első jelentős felfedezése Cornellben az excitonokra vonatkozott, az erősen kötött elektron-lyuk párokra, amelyeket még 2014-ben láttak a TMD-ben. Az excitonok felkeltik a fizikusok érdeklődését, mertkvázi részecskék” körforgásos módot kínálhat a kondenzált anyag fizika örökérvényű céljának eléréséhez: a szobahőmérsékletű szupravezetéshez.
Az excitonok ugyanazok a funky szabályok szerint játszanak, mint az elektron-elektron párok; ezek az elektron-lyuk párok is bozonokká válnak, ami lehetővé teszi, hogy „sűrűsödjenek” egy közös kvantumállapotba, amelyet Bose-Einstein kondenzátumként ismerünk. A kvázirészecskék összefüggő hordája olyan kvantumjellemzőket tud felmutatni, mint a szuperfolyékonyság, az ellenállás nélküli áramlás képessége. (Ha egy szuperfolyadék elektromos áramot hordoz, szupravezető.)
De a taszító elektronokkal ellentétben az elektronok és a lyukak szeretnek párosodni. A kutatók szerint ez potenciálisan erősebbé teszi a ragasztójukat. Az exciton alapú szupravezetés kihívása abban rejlik, hogy az elektron ne töltse be a lyukat, és hogy az elektromosan semleges párok áramban folyjanak – mindezt a lehető legmelegebb helyiségben. Eddig Mak és Shan megoldotta az első problémát, és van egy tervük a második megoldására.
Az atomfelhők kondenzátumokká alakíthatók, ha erős lézerekkel egy hajszállal az abszolút nulla fölé hűtik őket. A teoretikusok azonban régóta gyanítják, hogy magasabb hőmérsékleten excitonok kondenzátumai képződhetnek. A Cornell csoport ezt az ötletet valóra váltotta egymásra rakható TMD-ikkel. Egy kétrétegű szendvics segítségével extra elektronokat helyeztek a felső rétegbe, az alsóból pedig eltávolították az elektronokat, lyukakat hagyva ott. Az elektronok és a lyukak párosultak, hosszú életű excitonokat hozva létre, mivel az elektronok nehezen tudnak átugrani az ellenkező rétegbe, hogy semlegesítsék partnereiket. 2019 októberében a csoport jelzett jeleket exciton kondenzátum 100 kelvin mellett. Ebben a beállításban az excitonok több tíz nanoszekundumig fennmaradtak, ami az ilyen típusú kvázirészecskék élettartama. 2021 őszén, a csoport egy továbbfejlesztett berendezést írt le, amelyben az excitonok ezredmásodpercekig tartanak, amit Mak „gyakorlatilag örökkévalónak” nevezett.
A csapat most üldöz egy sémát teoretikusok találták ki 2008-ban egy excitonáram létrehozására. Allan MacDonald, az austini Texasi Egyetem prominens kondenzált anyag teoretikusa és végzős hallgatója, Jung-Jung Su azt javasolták, hogy semleges excitonokat áramoltassanak olyan elektromos tér alkalmazásával, amely az elektronokat és a lyukakat is azonos irányú mozgásra ösztönzi. A laborban való sikerhez a Cornell-csoportnak ismét meg kell küzdenie örök ellenségével, az elektromos érintkezőkkel. Ebben az esetben több elektródkészletet kell a TMD rétegekhez rögzíteniük, egyeseket az excitonok gyártásához, míg mások mozgatásához.
Shan és Mak úgy vélik, hogy jó úton haladnak afelé, hogy hamarosan elérjék a 100 kelvines exciton áramlást. Ez egy hideg helyiség egy személy számára (-173 Celsius-fok vagy -280 Fahrenheit-fok), de ez óriási ugrás a nanokelvin-viszonyokhoz képest, amelyekre a legtöbb bozonikus kondenzátumnak szüksége van.
– Ez már önmagában is szép eredmény – mondta Mak ravasz mosollyal –, hogy milliárdszorosára melegítjük a hőmérsékletet.
Mágikus Moiré anyagok
2018-ban, miközben a Cornell laboratórium felpörgette TMD-kísérleteit, egy másik grafén-meglepetés indította el a második 2D-s anyagok forradalmát. Pablo Jarillo-Herrero, az MIT kutatója és egy másik Columbia timsó bejelentette, hogy az egyik grafénréteg összecsavarása az alatta lévő réteghez képest varázslatos új 2D-s anyagot hozott létre. A titok az volt, hogy le kell ejteni a felső réteget úgy, hogy a hatszögei enyhe „csavarással” szálljanak le, így pontosan 1.1 fokkal elfordultak az alatta lévő hatszögekkel szemben. Ez a szögeltérés eltolódást okoz az atomok között, amely nő és zsugorodik, amikor az anyagon áthalad, és nagy „szupercellák” ismétlődő mintázatát hoz létre, amely moaré szuperrácsként ismert. MacDonaldnak és egy kollégájának volt 2011-ben számolva hogy az 1.1 fokos „varázsszögnél” a szuperrács egyedi kristályszerkezete arra kényszerítené a grafén elektronjait, hogy lassítsák és érzékeljék szomszédaik taszítását.
Amikor az elektronok tudomást szereznek egymásról, furcsa dolgok történnek. A normál szigetelőkben, vezetőkben és félvezetőkben az elektronok csak az atomok rácsával lépnek kölcsönhatásba; túl gyorsan rohangálnak, hogy észrevegyék egymást. De lelassítva a kúszásig, az elektronok lökdöshetik egymást, és együttesen egzotikus kvantumállapotokat vehetnek fel. Jarillo-Herrero kísérletei bebizonyították, hogy pl rosszul értett okok miatt ez az elektron-elektron kommunikáció a csavart, varázsszögű grafénben egy a szupravezetés különösen erős formája.
A grafén moaré szuperrács egy radikálisan új elektronszabályozási módot is bevezetett a kutatókba. A szuperrácsban az elektronok nem veszik észre az egyes atomokat, és magukat a szupercellákat úgy érzik, mintha óriási atomok lennének. Ez megkönnyíti a szupercellák feltöltését elegendő elektronnal ahhoz, hogy kollektív kvantumállapotokat hozzanak létre. A szupercellánkénti elektronok átlagos számának növelésére vagy csökkentésére szolgáló elektromos mező segítségével Jarillo-Herrero csoportja képes volt arra, hogy csavart, kétrétegű graféneszközük szupravezetőként működjön. egy szigetelő, vagy kijelző a tutaj egyéb, idegen elektronviselkedések.
A fizikusok szerte a világon a „twistronics” születőben lévő területére rohantak. De sokan úgy találták, hogy a csavarás nehéz. Az atomoknak nincs okuk arra, hogy szépen beleesjenek a „varázslatos” 1.1 fokos eltolódásba, így a lapok olyan módon gyűrődnek, ami teljesen megváltoztatja tulajdonságaikat. Xia, a Cornell végzős hallgatója elmondta, hogy van egy csomó barátja más egyetemeken, akik csavart eszközökkel dolgoznak. Egy működő eszköz létrehozása általában több tucat próbálkozást igényel. És még ekkor is minden eszköz másként viselkedik, így a konkrét kísérleteket szinte lehetetlen megismételni.
A TMD-k sokkal egyszerűbb módot kínálnak a moaré szuperrács létrehozására. Mivel a különböző TMD-k különböző méretű hatszögletű rácsokkal rendelkeznek, a valamivel nagyobb hatszögekből álló rács egy kisebb rács fölé halmozása olyan moaré mintát hoz létre, mint a szögeltérés. Ebben az esetben, mivel a rétegek között nincs forgás, a köteg nagyobb valószínűséggel pattan a helyére, és mozdulatlanul marad. Amikor Xia elhatározza, hogy egy TMD moaré eszközt készít, azt mondta, hogy általában ötből négyszer sikerül neki.
A TMD moaré anyagok ideális játszóteret biztosítanak az elektronkölcsönhatások felfedezéséhez. Mivel az anyagok félvezetők, elektronjaik megnehezednek, ahogy áthaladnak az anyagokon, ellentétben a grafén frenetikus elektronjaival. A gigantikus moaré sejtek pedig tovább lassítják őket: Míg az elektronok gyakran „alagúttal” mozognak az atomok között, ami a teleportációhoz hasonló kvantummechanikai viselkedés, addig a moaré-rácsban ritkán történik alagút, mivel a szupercellák nagyjából 100-szor távolabb helyezkednek el egymástól, mint a bennük lévő atomok. . A távolság segíti az elektronok letelepedését, és lehetőséget ad nekik, hogy megismerjék szomszédaikat.
Shan és Mak baráti riválisa, Feng Wang az elsők között ismerte fel a TMD moaré szuperrácsokban rejlő lehetőségeket. A burok hátulsó számításai azt sugallták, hogy ezeknek az anyagoknak az egyik legegyszerűbb módja az elektronok szerveződésének – egy Wigner-kristályként ismert állapot, ahol a kölcsönös taszítás a letargikus elektronokat a helyükre zárja. Wang csapata látta olyan állapotok jelei 2020-ban és megjelent az első kép egymást karnyújtásnyira tartó elektronok Természet 2021-ben. Addigra Wang TMD moaré tevékenységeinek híre már elterjedt a szűk 2D-s fizikai közösségben, és a Cornell TMD gyár saját TMD moaré eszközöket állított ki. Shan és Mak 2020-ban bizonyítékokat is beszámolt a TMD szuperrácsokban lévő Wigner-kristályokról, és hónapokon belül felfedezték, hogy az eszközeikben lévő elektronok majdnem kikristályosodhatnak. két tucat különböző Wigner kristály minta.
Ezzel egy időben a Cornell-csoport a TMD moaré anyagokat is elektromos szerszámmá alakította. MacDonald és munkatársai megjósolta 2018-ban, hogy ezek az eszközök a műszaki jellemzők megfelelő kombinációjával rendelkeznek ahhoz, hogy tökéletesen képviseljék a kondenzanyag-fizika egyik legfontosabb játékmodelljét. A Hubbard-modell, ahogyan hívják, egy elméleti rendszer, amelyet az elektronviselkedések széles skálájának megértésére használnak. Függetlenül javasolt Martin Gutzwiller, Junjiro Kanamori és John Hubbard 1963-ban a modell a fizikusok legjobb kísérlete arra, hogy a kristályrácsok gyakorlatilag végtelen sokféleségét a leglényegesebb jellemzőikig lecsupaszítsák. Képzeljen el egy elektronokat befogadó atomhálót. A Hubbard-modell feltételezi, hogy minden elektron két egymással versengő erőt érez: alagút útján akar elmozdulni a szomszédos atomok felé, de a szomszédai is taszítják, ami miatt ott akar maradni, ahol van. Különböző viselkedések alakulnak ki attól függően, hogy melyik vágy a legerősebb. A Hubbard-modellel csak az a probléma, hogy a legegyszerűbb eset – egy 1D-s atomsor – kivételével matematikailag megoldhatatlan.
MacDonald és munkatársai szerint a TMD moaré anyagok a Hubbard-modell „szimulátoraiként” működhetnek, potenciálisan megoldva a mező legmélyebb titkait, például az elektronokat kuprátban szupravezető párokká kötődő ragasztó természetét. Ahelyett, hogy egy lehetetlen egyenlettel küszködnének, a kutatók szabadon engedhetik az elektronokat egy TMD szendvicsben, és megnézhetik, mit csinálnak. „Le tudjuk írni ezt a modellt, de nagyon nehéz sok fontos kérdésre válaszolni” – mondta MacDonald. „Most már csak egy kísérlettel megtehetjük. Ez igazán úttörő.”
A Hubbard-modell szimulátorának elkészítéséhez Shan és Mak volfrám-diszelenid és volfrám-szulfid rétegeket raktak egymásra, hogy moaré szuperrácsot hozzanak létre, és elektródákat csatlakoztattak a TMD szendvicsen áthaladó elektromos mező fel- vagy letárcsázásához. Az elektromos tér szabályozta, hogy hány elektron töltse meg az egyes szupercellákat. Mivel a sejtek óriási atomokként működnek, szupercellánként egy elektronról két elektronra jutni olyan volt, mintha egy hidrogénatomok rácsát héliumatomok rácsává alakítanánk át. Az ő Hubbard modell első publikációja in Természet 2020 márciusában atomok szimulálásáról számoltak be legfeljebb két elektronnal; ma már nyolcig mehetnek. Bizonyos értelemben felismerték azt az ősi célt, hogy az ólmot arannyá alakítsák. „Olyan ez, mint a kémia hangolása” – mondta Mak –, „átmenni a periódusos rendszeren”. Elvileg akár fiktív atomokból álló rácsot is képesek elővarázsolni, mondjuk egyenként 1.38 elektronnal.
Ezután a csoport a mesterséges atomok szívét vizsgálta. Több elektróddal szabályozhatnák a szupercellák „potenciálját” azáltal, hogy olyan változtatásokat hajtanak végre, mintha pozitív protonokat adnának az óriási szintetikus atomok központjaihoz. Minél nagyobb az atommag töltése, annál nehezebben tudnak az elektronok eltávolodni, így ez az elektromos tér lehetővé teszi, hogy növeljék és csökkentsék az ugráló hajlamot.
Mak és Shan uralma az óriás atomokat – és így a Hubbard-modellt – teljessé vált. A TMD moaré rendszer lehetővé teszi számukra, hogy megidézzenek egy rácsot ersatz atomokból, még olyanokból is, amelyek nem léteznek a természetben, és zökkenőmentesen átalakítják őket tetszés szerint. Ez egy olyan erő, amely még a terület többi kutatója számára is a varázslat határát súrolja. „Ha kiemelném a legizgalmasabb és leglenyűgözőbb erőfeszítéseiket, akkor ez az igazi” – mondta Kim.
A Cornell-csoport gyorsan felhasználta tervezői atomjait egy 70 éves vita eldöntésére. A kérdés a következő volt: Mi lenne, ha venne egy szigetelőt, és az atomjait úgy módosíthatja, hogy vezető fémmé változzon? Az átállás fokozatosan vagy hirtelen történne?
Moaré alkímiájukkal Shan és Mak elvégezték a gondolatkísérletet a laborjukban. Először nehéz atomokat szimuláltak, amelyek befogták az elektronokat, így a TMD szuperrács szigetelőként működött. Aztán összezsugorították az atomokat, gyengítve a csapdát, amíg az elektronok képesek lettek szabaddá ugrani, és hagyták, hogy a szuperrács vezető fémmé váljon. Fokozatosan csökkenő elektromos ellenállás megfigyelésével, amikor a szuperrács egyre inkább úgy viselkedik, mint egy fém, megmutatták, hogy az átmenet nem hirtelen. Ez a megállapítás, amely jelentették be in Természet tavaly megnyitja annak lehetőségét, hogy a szuperrács elektronjai képesek lehetnek elérni a régóta keresett folyékonyság típusát, kvantum spin folyadék. „Ez lehet a legérdekesebb probléma, amellyel meg lehet küzdeni” – mondta Mak.
Szinte ezzel egy időben a párnak szerencséje volt egyes fizikusok eddigi legjelentősebb felfedezésének. „Valójában teljes baleset volt” – mondta Mak. – Senki sem számított rá.
Amikor elkezdték a Hubbard-szimulátoros kutatást, a kutatók TMD-szendvicseket használtak, amelyekben a két réteg hatszögei egy vonalban helyezkednek el, az átmenetifémek tetején átmenetifémek, a kalkogenidek tetején pedig kalkogenidek találhatók. (Ekkor fedezték fel a fokozatos szigetelő-fém átmenetet.) Aztán véletlenül megismételték a kísérletet olyan eszközökkel, amelyekben a felső réteget hátrafelé rakták egymásra.
Mint korábban, az ellenállás csökkenni kezdett, ahogy az elektronok ugrálni kezdtek. De aztán hirtelen zuhant, és olyan mélyre süllyedt, hogy a kutatók azon tűnődtek, vajon a moaré elkezdett-e szupravezető lenni. Tovább kutatva azonban ők ritka ellenállásmintát mért Kvantumrendellenes Hall-effektusként ismert – bizonyíték arra, hogy valami még furcsább történik. A hatás azt jelezte, hogy az eszköz kristályszerkezete arra kényszerítette az anyag szélén lévő elektronokat, hogy a középponttól eltérően működjenek. A készülék közepén az elektronok szigetelő állapotba kerültek. De a kerület mentén egy irányba áramlottak – ez megmagyarázza a rendkívül alacsony ellenállást. A kutatók véletlenül egy rendkívül szokatlan és törékeny anyagtípust hoztak létre, amelyet Chern-szigetelőként ismertek.
A kvantumrendellenes hall-effektus, először 2013 -ban figyelték meg, általában akkor esik szét, ha a hőmérséklet néhány század kelvin fölé emelkedik. 2019-ben Young csoportja Santa Barbarában látta egyszeri csavart grafén szendvics 5 kelvin körül. Most Shan és Mak közel azonos hőmérsékleten érték el a hatást, de egy csavarás nélküli TMD-eszközben, amelyet bárki újra létrehozhat. „Nálunk magasabb volt a hőmérséklet, de az övékét bármelyik nap beveszem, mert egymás után tízszer is meg tudják csinálni” – mondta Young. Ez azt jelenti, hogy meg tudod érteni, „és felhasználhatod arra, hogy ténylegesen csinálj valamit”.
Mak és Shan úgy gondolja, hogy némi trükközéssel TMD moaré anyagokat használhatnak olyan Chern szigetelők készítésére, amelyek 50 vagy 100 kelvinig is túlélnek. Ha sikerrel járnak, a munka egy másik módja lehet annak, hogy az áramot ellenállás nélkül lehessen folyni – legalábbis az apró „nanovezetékek” esetében, amelyeket akár az eszköz adott helyein is be- és kikapcsolhatnak.
Kutatás Síkföldön
Bár a mérföldkőnek számító eredmények felhalmozódnak, a pár nem mutatja a lassulás jeleit. Azon a napon, amikor meglátogattam, Mak nézte, ahogy a diákok egy tornyos hígítós hűtőszekrényt bütykölnek, amivel ezerszer hidegebbre hűthetik le készülékeiket, mint amilyennel eddig dolgoztak. Annyi fizika felfedezhető „melegebb” körülmények között, hogy a csoportnak nem volt lehetősége alaposan átkutatni a mélyebb kriogén birodalmat a szupravezetés jelei után. Ha a szuperhűtő lehetővé teszi a TMD-k szupravezetését, az egy újabb kérdésre ad választ, és ezt mutatja a mágnesesség egyik formája, amely a kuprátokban rejlik (de hiányzik a TMD-kből) nem lényeges összetevője az elektronkötő ragasztónak. „Ez olyan, mintha megölnénk az egyik fontos összetevőt, amelyet a teoretikusok már régóta meg akartak ölni” – mondta Mak.
Ő, Shan és csoportjuk még csak nem is kezdtek kísérletezni néhány funkcikálisabb TMD-vel. Miután éveket töltöttek a 2D-s anyagok kontinensén való mozgáshoz szükséges felszerelések feltalálásával, végre felkészülnek arra, hogy túllépjenek a 2010-ben landolt mol-diszulfidos tengerparton.
A két kutató az együttműködés kultúrájának tulajdonítja sikerét, amelyet a Columbiában alkalmaztak. Elmondásuk szerint a Hone-nal folytatott kezdeti együttműködés, amely bemutatta nekik a mol-diszulfidot, csak egy volt a sok lehetőség közül, amelyet élveztek, mert szabadon követhették kíváncsiságukat. „Nem kellett megbeszélnünk” a terveiket Heinzzel, a laboratóriumuk vezetőjével – mondta Shan. „Más csoportokhoz tartozó emberekkel beszélgettünk. Megcsináltuk a kísérleteket. Még le is zártuk a dolgokat.”
Ma hasonlóan nyugodt környezetet ápolnak a Cornellben, ahol pár tucat posztdoktort, vendégkutatót és diákot felügyelnek, akik nagyrészt szabadon végezhetik a saját dolgukat. „A diákok nagyon okosak és jó ötleteik vannak” – mondta Mak. – Néha nem akarsz beleavatkozni.
Házasságuk egyedivé teszi laborjukat is. Ők ketten megtanultak támaszkodni személyes erősségeikre. Amellett, hogy kísérletezőként rengeteg kreativitással rendelkezik, Shan gondos fegyelmezettséggel rendelkezik, ami jó menedzserré teszi; Miközben hárman beszélgettünk, gyakran visszalökte „Fai professzort” a pályára, amikor a fizika iránti lelkesedése túlságosan a technikai dolgokba taszította. Mak a maga részéről élvezi, hogy a pályakezdő kutatókkal együtt dolgozik, a laboron belül és kívül egyaránt. Nemrég kezdett sziklamászni a csoporttal. „Úgy tűnik, hogy a laborjuk a családjuk” – mondta Young. Shan és Mak azt mondta nekem, hogy együtt többet érnek el, mint egyedül. „Egy plusz egy több, mint kettő” – mondta Mak.
Előfordulhat, hogy az általuk épített eszközök több mint alkatrészeik összege. Miközben a kutatók egyesítik a TMD-lemezeket, hogy excitonokat és moaré szuperrácsokat hozzanak létre, azon töprengenek, hogy az elektronok háziasításának új módjai miként képesek túltölteni a technológiát. Még ha a zsebre kész szupravezetés továbbra is megfoghatatlan, a Bose-Einstein kondenzátumok rendkívül érzékeny kvantumérzékelőket eredményezhetnek, és a Chern-szerű szigetelők jobb vezérlése lehetővé teheti nagy teljesítményű kvantumszámítógépek. És ezek csak a nyilvánvaló ötletek. Az anyagtudomány fokozatos fejlesztései gyakran olyan radikális alkalmazásokat eredményeznek, amelyeket kevesen láttak. A tranzisztort kifejlesztő kutatók például nehezen tudtak volna megjósolni a mikroszkopikus kapcsolók milliárdjaival működő okostelefonokat, amelyeket egy körömnyi chipbe töltöttek. És azok a tudósok, akik olyan üvegszálakat próbáltak kifejleszteni, amelyek fényt szállítanak a laborpadjukon, nem tudták előre, hogy 10,000 XNUMX kilométeres tenger alatti optikai szálak egy nap összekötik majd a kontinenseket. A kétdimenziós anyagok hasonlóan előre nem látható irányba fejlődhetnek. „Egy igazán új anyagplatform saját alkalmazásokat generál, nem pedig a meglévő anyagokat kiszorítja” – mondta Heinz.
Miközben az Ithaca buszmegállóhoz vezettek, Shan és Mak meséltek egy közelmúltbeli (és ritka) nyaralásukról, amelyeket a kanadai Banffban töltöttek, ahol ismét megmutatták képességüket, hogy erőfeszítés és szerencse ötvözete révén meglepetésekbe botlottak. Napokig próbáltak – hiába – felfedezni egy medvét. Aztán az út végén, a repülőtérre menet megálltak, hogy kinyújtsák a lábukat egy botanikai rezervátumban, és egy fekete medvével találták szembe magukat.
Hasonlóképpen, a kondenzált anyag fizikájánál az a megközelítésük, hogy együtt barangolnak egy új tájon, és megnézik, mi derül ki. „Nincs sok elméleti útmutatásunk, de csak bolondozunk, és kísérletekkel játszunk” – mondta Mak. "Lehet kudarcot vallani, de néha valami nagyon váratlan dologba ütközhet."
