Molibdenit, bahkan untuk mata yang terlatih, terlihat hampir identik dengan grafit — kristal keperakan yang berkilau. Ini juga bertindak sama, mengelupas serpihan dengan cara yang akan menghasilkan isian pensil yang bagus. Tetapi bagi elektron, dua kisi atom membentuk dunia yang berbeda. Perbedaan itu pertama kali masuk catatan ilmiah 244 tahun lalu. Carl Scheele, seorang ahli kimia Swedia yang terkenal karena penemuan oksigennya, memasukkan setiap mineral ke dalam berbagai macam asam dan mengamati awan gas yang mengepul. Scheele, yang akhirnya membayar pendekatan ini dengan nyawanya, meninggal karena diduga keracunan logam berat pada usia 43, menyimpulkan bahwa molibdenit adalah zat baru. Menggambarkannya dalam sebuah surat kepada Royal Swedish Academy of Science pada tahun 1778, ia menulis, “Saya merujuk di sini bukan pada grafit umum yang dapat diperoleh dari apotek. Logam transisi ini tampaknya tidak diketahui.”
Dengan kecenderungannya untuk terkelupas menjadi serpihan tepung, molibdenit menjadi pelumas populer di abad ke-20. Ini membantu ski meluncur lebih jauh melalui salju dan menghaluskan keluarnya peluru dari laras senapan di Vietnam.
Hari ini, kerapuhan yang sama memicu revolusi fisika.
Terobosan dimulai dengan grafit dan pita Scotch. Para peneliti menemukan secara kebetulan pada tahun 2004 bahwa mereka dapat menggunakan selotip untuk mengelupas serpihan grafit setebal satu atom. Lembaran kristal ini, masing-masing merupakan susunan datar atom karbon, memiliki sifat menakjubkan yang sangat berbeda dari kristal tiga dimensi asalnya. Grafena (seperti yang disebut oleh penemunya) adalah kategori zat yang sama sekali baru — bahan 2D. Penemuannya mengubah fisika benda terkondensasi, cabang fisika yang berusaha memahami banyak bentuk dan perilaku materi. Hampir setengah dari semua fisikawan adalah fisikawan benda terkondensasi; itu adalah subbidang yang membawa kita chip komputer, laser, lampu LED, mesin MRI, panel surya, dan segala macam keajaiban teknologi modern. Setelah penemuan graphene, ribuan fisikawan materi terkondensasi mulai mempelajari materi baru, berharap itu akan mendukung teknologi masa depan.
Penemu Graphene menerima Hadiah Nobel dalam Fisika pada tahun 2010. Pada tahun yang sama, dua fisikawan muda di Universitas Columbia, Jie Shan dan Kin Fai Mak, melihat tanda-tanda bahwa serpihan molibdenit mungkin lebih ajaib daripada graphene. Mineral yang kurang dikenal memiliki sifat yang membuatnya sulit untuk dipelajari — terlalu sulit untuk banyak laboratorium — tetapi itu memikat Shan dan Mak. Duo ulet mengabdikan hampir satu dekade untuk bertengkar molibdenit 2D (atau molibdenum disulfida, sebagai versi lab-tumbuh kristal disebut) dan keluarga kristal 2D yang terkait erat.
Kini usaha mereka membuahkan hasil. Shan dan Mak, yang sekarang menikah dan menjalankan kelompok penelitian bersama di Cornell University, telah menunjukkan bahwa kristal 2D molibdenum disulfida dan kerabatnya dapat menimbulkan berbagai fenomena kuantum eksotis yang sangat besar. “Ini taman bermain yang gila,” kata James Hone, seorang peneliti di Columbia yang memasok kristal berkualitas tinggi ke lab Cornell. "Anda dapat melakukan semua fisika materi terkondensasi modern dalam satu sistem material."
Kelompok Shan dan Mak telah menangkap elektron yang berperilaku dengan cara yang belum pernah terjadi sebelumnya dalam kristal datar ini. Mereka telah membujuk partikel untuk bergabung menjadi cairan kuantum dan membeku menjadi berbagai macam struktur seperti es. Mereka telah belajar merakit kisi-kisi atom buatan raksasa yang sekarang berfungsi sebagai tempat uji untuk teori materi dasar. Sejak membuka lab Cornell mereka pada tahun 2018, ahli penjinak elektron telah menerbitkan delapan makalah yang menakjubkan di Alam, jurnal paling bergengsi dalam sains, serta banyak makalah selanjutnya. Para ahli teori mengatakan pasangan itu memperluas pemahaman tentang apa yang mampu dilakukan oleh sekumpulan elektron.
Penelitian mereka “sangat mengesankan dalam banyak aspek”, kata Filipus Kim, seorang fisikawan benda terkondensasi terkemuka di Universitas Harvard. “Ini, menurut saya, sensasional.”
Munculnya Materi 2D
Atribut material umumnya mencerminkan apa yang dilakukan elektronnya. Dalam konduktor seperti logam, misalnya, elektron berlayar di antara atom dengan mudah, membawa listrik. Dalam isolator seperti kayu dan kaca, elektron tetap diam. Semikonduktor seperti silikon jatuh di antara: Elektron mereka dapat dipaksa untuk bergerak dengan masuknya energi, menjadikannya ideal untuk menghidupkan dan mematikan arus — tugas transistor. Selama 50 tahun terakhir, selain ketiga perilaku elektron dasar itu, fisikawan materi terkondensasi telah melihat partikel bermuatan ringan berperilaku dalam banyak cara yang lebih eksotis.
Salah satu kejutan yang lebih dramatis datang pada tahun 1986, ketika dua peneliti IBM, Georg Bednorz dan Alex Müller, terdeteksi arus elektron yang bergerak melalui kristal tembaga oksida (“cuprate”) tanpa hambatan apa pun. Superkonduktivitas ini — kemampuan listrik untuk mengalir dengan efisiensi sempurna — telah terlihat sebelumnya, tetapi hanya untuk alasan yang dapat dipahami dengan baik pada bahan yang didinginkan hingga beberapa derajat dari nol mutlak. Kali ini, Bednorz dan Müller mengamati bentuk misterius dari fenomena yang bertahan pada rekor 35 kelvin (yaitu, 35 derajat di atas nol mutlak). Para ilmuwan segera menemukan cuprates lain yang superkonduktor di atas 100 kelvin. Sebuah mimpi lahir yang mungkin tetap menjadi tujuan nomor satu fisika benda terkondensasi hari ini: menemukan atau merekayasa zat yang dapat menghantarkan listrik super di dunia kita yang panas, kira-kira 300 kelvin, memungkinkan saluran listrik tanpa kehilangan, kendaraan melayang dan perangkat hiper-efisien lainnya yang akan secara signifikan mengurangi kebutuhan energi manusia.
Kunci superkonduktivitas adalah membujuk elektron, yang biasanya saling tolak, untuk berpasangan dan membentuk entitas yang dikenal sebagai boson. Boson kemudian dapat secara kolektif melebur menjadi cairan kuantum tanpa gesekan. Gaya tarik menarik yang menciptakan boson, seperti getaran atom, biasanya dapat mengatasi tolakan elektron hanya pada suhu kriogenik atau tekanan tinggi. Tetapi kebutuhan akan kondisi ekstrem ini telah mencegah superkonduktivitas menemukan jalannya ke perangkat sehari-hari. Penemuan cuprate meningkatkan harapan bahwa kisi atom yang tepat dapat "merekatkan" elektron bersama-sama begitu kuat sehingga mereka akan tetap menempel bahkan pada suhu kamar.
Berlangsung 40 tahun setelah penemuan Bednorz dan Müller, para ahli teori masih belum sepenuhnya yakin bagaimana lem di cuprates bekerja, apalagi cara mengubah bahan untuk memperkuatnya. Dengan demikian, banyak penelitian dalam fisika benda terkondensasi adalah perburuan coba-coba untuk kristal yang dapat menjaga pasangan elektronnya atau menggembalakan elektron dengan cara menakjubkan lainnya. “Materi terkondensasi adalah cabang fisika yang memungkinkan terjadinya kebetulan,” kata Kim. Begitulah penemuan materi 2004D tahun 2.
Andre Geim dan Konstantin Novoselov, bekerja dengan grafit di University of Manchester di Inggris Raya, ditemukan konsekuensi mengejutkan dari kerapuhan material. Kristal grafit mengandung atom karbon yang tersusun menjadi lembaran segi enam yang terikat longgar. Para ahli teori telah lama meramalkan bahwa tanpa pengaruh stabilisasi tumpukan, getaran yang disebabkan oleh panas akan memecah lembaran satu lapis. Tetapi Geim dan Novoselov menemukan bahwa mereka dapat mengelupas lembaran tipis atom yang stabil dengan sedikit lebih dari selotip Scotch dan ketekunan. Grafena adalah bahan pertama yang benar-benar datar — bidang di mana elektron dapat meluncur tetapi tidak ke atas dan ke bawah.
Hone, fisikawan Columbia, menemukan bahwa materi tertipis di dunia entah bagaimana juga yang terkuat. Itu adalah kekecewaan yang luar biasa untuk materi yang menurut para ahli teori tidak akan cocok sama sekali.
Apa yang paling menarik bagi fisikawan tentang graphene adalah bagaimana dataran karbon mengubah elektron: Tidak ada yang bisa memperlambatnya. Elektron sering tersandung oleh kisi atom tempat mereka bergerak, bertindak lebih berat daripada massa buku teks mereka (elektron tidak bergerak isolator bertindak seolah-olah mereka memiliki massa tak terbatas). Namun, kisi datar Graphene membiarkan elektron melesat dengan kecepatan satu juta meter per detik — hanya beberapa ratus kali lebih lambat dari kecepatan cahaya. Pada kecepatan konstan dan terik itu, elektron-elektron terbang seolah-olah mereka tidak memiliki massa sama sekali, memberkati graphene dengan konduktivitas yang ekstrem (meskipun tidak super).
Seluruh bidang muncul di sekitar bahan ajaib. Peneliti juga mulai berpikir lebih luas. Bisakah serpihan 2D dari zat lain memiliki kekuatan super mereka sendiri? Hone termasuk di antara mereka yang bercabang. Pada tahun 2009, ia mengukur beberapa sifat mekanik doppelgänger grafit, molibdenum disulfida, kemudian menyerahkan kristal tersebut ke dua spesialis optik di lab Tony Heinz di Columbia. Itu adalah langkah biasa yang akan mengubah karier semua orang yang terlibat.
Sampel molibdenum disulfida mendarat di tangan Jie Shan, seorang profesor tamu di awal karirnya, dan Kin Fai Mak, seorang mahasiswa pascasarjana. Duo muda itu sedang mempelajari bagaimana graphene berinteraksi dengan cahaya, tetapi mereka sudah mulai melamun tentang materi lain. Elektron cepat Graphene membuatnya menjadi konduktor yang fantastis, tetapi yang mereka inginkan adalah semikonduktor 2D — bahan yang aliran elektronnya dapat dihidupkan dan dimatikan, dan karena itu dapat berfungsi sebagai transistor.
Molibdenum disulfida dikenal sebagai semikonduktor. Dan Shan dan Mak segera mengetahui bahwa, seperti grafit, ia memperoleh kekuatan tambahan dalam 2D. Ketika mereka mengarahkan laser pada kristal 3D "moly disulfide" (begitu mereka menyebutnya), kristal tetap gelap. Tetapi ketika Shan dan Mak merobek lapisan dengan selotip Scotch, memukulnya dengan laser, dan memeriksanya di bawah mikroskop, mereka melihat lembaran 2D bersinar terang.
Penelitian dari kelompok lain kemudian mengkonfirmasi bahwa lembaran yang dibuat dengan baik dari bahan yang terkait erat mencerminkan setiap foton terakhir yang mengenai mereka. “Itu agak membingungkan,” kata Mak baru-baru ini, ketika saya bertemu dengannya dan Shan di kantor bersama mereka di Cornell. "Anda hanya memiliki satu lembar atom, dan itu dapat memantulkan 100% cahaya seperti cermin yang sempurna." Mereka menyadari bahwa properti ini dapat menghasilkan perangkat optik yang spektakuler.
secara mandiri, Feng Wang, seorang fisikawan di University of California, Berkeley, membuat penemuan yang sama. Bahan 2D yang sangat reflektif dan semikonduktor untuk boot menarik perhatian masyarakat. Kedua kelompok mempublikasikan temuan mereka pada tahun 2010; makalah-makalah tersebut telah menerima lebih dari 16,000 kutipan di antara mereka. “Semua orang dengan laser mulai sangat tertarik dengan materi 2D,” kata Hone.
Dengan mengidentifikasi moly disulfide sebagai bahan ajaib 2D kedua, kedua kelompok telah mendarat di seluruh benua bahan 2D. Moly disulfide milik keluarga zat yang dikenal sebagai dichalcogenides logam transisi (TMDs), di mana atom dari daerah tengah logam dari tabel periodik seperti molibdenum terhubung dengan pasangan senyawa kimia yang dikenal sebagai chalcogenides, seperti belerang. Moly disulfide adalah satu-satunya TMD yang terjadi secara alami, tetapi ada puluhan lagi yang dapat disiapkan oleh para peneliti di laboratorium — tungsten disulfide, molibdenum ditelluride, dan sebagainya. Sebagian besar membentuk lembaran terikat lemah, membuat mereka rentan terhadap sisi bisnis dari selembar pita.
Namun, gelombang kegembiraan awal segera surut, ketika para peneliti berjuang untuk membuat TMD melakukan lebih dari sekadar bersinar. Kelompok Wang, misalnya, jatuh kembali pada graphene setelah menemukan bahwa mereka tidak dapat dengan mudah menempelkan elektroda logam ke moly disulfide. “Itu telah menjadi batu sandungan bagi kelompok kami selama beberapa tahun,” katanya. "Bahkan sekarang kami tidak pandai melakukan kontak." Tampaknya keuntungan utama TMD dibandingkan graphene juga merupakan kelemahan terbesar mereka: Untuk mempelajari sifat elektronik suatu material, peneliti harus sering mendorong elektron ke dalamnya dan mengukur resistansi arus yang dihasilkan. Tetapi karena semikonduktor adalah konduktor yang buruk, sulit untuk mendapatkan elektron masuk atau keluar.
Mak dan Shan awalnya merasa ambivalen. “Sangat tidak jelas apakah kami harus terus mengerjakan graphene atau mulai mengerjakan materi baru ini,” kata Mak. "Tapi karena kami menemukan properti yang bagus ini, kami terus melakukan beberapa eksperimen lagi."
Saat mereka bekerja, kedua peneliti menjadi semakin terpesona oleh moly disulfide, dan oleh satu sama lain. Awalnya, kontak mereka adalah profesional, sebagian besar terbatas pada email yang berfokus pada penelitian. “Fai sering bertanya, 'Di mana peralatan itu? Di mana Anda meletakkannya?'” kata Shan. Tetapi akhirnya hubungan mereka, yang diinkubasi oleh jam kerja yang panjang dan dikatalisasi oleh kesuksesan eksperimental, berubah menjadi romantis. “Kami terlalu sering bertemu satu sama lain, secara harfiah di lab yang sama mengerjakan proyek yang sama,” kata Mak. “Proyek yang berjalan dengan sangat baik juga membuat kami senang.”
Semua Fisika Sepanjang Waktu
Dibutuhkan kemitraan antara dua fisikawan setia dengan disiplin besi untuk mengatasi TMD yang merepotkan.
Akademisi selalu datang dengan mudah ke Shan. Tumbuh pada tahun 1970-an di provinsi pesisir Zhejiang, dia adalah seorang siswa bintang, unggul dalam matematika, sains dan bahasa dan mendapatkan tempat yang didambakan di Universitas Sains dan Teknologi China di Hefei. Di sana, dia memenuhi syarat untuk program pertukaran budaya selektif antara Cina dan Uni Soviet, dan dia mengambil kesempatan untuk belajar bahasa Rusia dan fisika di Universitas Negeri Moskow. “Ketika Anda remaja, Anda ingin menjelajahi dunia,” katanya. “Saya tidak ragu-ragu.”
Segera, dia melihat lebih banyak dunia daripada yang dia harapkan. Masalah visa menunda kedatangannya di Rusia beberapa bulan, dan dia kehilangan kursinya di program bahasa. Pihak berwenang menemukan jalur lain, dan tak lama setelah mendarat di Moskow, dia naik kereta api dan melakukan perjalanan 5,000 kilometer ke timur. Tiga hari kemudian dia tiba di kota Irkutsk di tengah Siberia pada awal musim dingin. “Saran yang saya dapatkan adalah, 'Jangan pernah menyentuh apa pun tanpa sarung tangan,'” jangan sampai dia terjebak, katanya.
Shan terus mengenakan sarung tangannya, belajar bahasa Rusia dalam satu semester, dan mulai menghargai keindahan pemandangan musim dingin. Ketika kursus berakhir dan salju mencair, ia kembali ke ibu kota untuk memulai gelar fisikanya, tiba di Moskow pada musim semi 1990, di tengah pecahnya Uni Soviet.
Itu adalah tahun-tahun yang kacau. Shan melihat tank-tank menggelinding di jalan-jalan dekat universitas saat Komunis mencoba mendapatkan kembali kendali atas pemerintah. Pada kesempatan lain, tepat setelah ujian akhir, perkelahian pecah. “Kami bisa mendengar suara tembakan, dan kami disuruh mematikan lampu di asrama,” katanya. Semuanya, mulai dari makanan hingga kertas toilet, dijatah melalui sistem kupon. Namun demikian, Shan merasa terinspirasi oleh ketangguhan para profesornya, yang tetap melanjutkan penelitian mereka meskipun ada gejolak. “Kondisinya sulit, tetapi banyak ilmuwan memiliki sikap seperti ini. Mereka benar-benar mencintai apa yang mereka lakukan, terlepas dari apa yang terjadi,” katanya.
Ketika tatanan dunia runtuh, Shan membedakan dirinya, menerbitkan makalah optik teoretis yang menarik perhatian Heinz di Columbia. Dia mendorongnya untuk melamar, dan dia pindah ke New York, di mana dia kadang-kadang membantu siswa internasional lainnya mendapatkan pijakan di negara asing. Dia merekrut Wang untuk bekerja di lab Heinz, misalnya, dan berbagi kiat eksperimental. “Dia mengajari saya bagaimana bersabar,” katanya, dan “bagaimana tidak frustrasi dengan laser.”
Sebagian besar peneliti mengambil posisi pascadoktoral setelah mendapatkan gelar Ph.D., tetapi Shan bergabung dengan Case Western Reserve University secara langsung sebagai associate professor pada tahun 2001. Beberapa tahun kemudian, dengan cuti panjang, dia kembali ke lab Heinz di Columbia. Untuk sekali ini, waktunya adalah kebetulan. Dia mulai berkolaborasi dengan seorang mahasiswa pascasarjana yang menawan dan bermata cerah dalam kelompok Heinz, Kin Fai Mak.
Mak telah mengikuti jalan yang berbeda dan tidak bergejolak ke New York City. Tumbuh di Hong Kong, ia berjuang di sekolah, karena sedikit selain fisika yang masuk akal baginya. “Itu satu-satunya hal yang saya suka dan benar-benar bagus, jadi saya memilih fisika,” katanya.
Penelitian sarjananya di Universitas Hong Kong menonjol, dan Heinz merekrutnya untuk bergabung dengan program fisika benda terkondensasi yang sedang booming di Columbia. Di sana, dia melakukan penelitian, menghabiskan hampir seluruh waktunya di lab kecuali sesekali bermain sepak bola intramural. Andrea Young, sesama mahasiswa pascasarjana (sekarang asisten profesor di University of California, Santa Barbara), berbagi apartemen dengan Mak di West 113th Street. “Saya beruntung jika saya bisa menangkapnya pada jam 2 pagi untuk memasak pasta dan berbicara tentang fisika. Itu semua fisika sepanjang waktu, ”kata Young.
Tapi masa-masa indah itu tidak bertahan lama. Tak lama setelah bertamasya ke hutan hujan Amazon di Kolombia bersama Young, Mak jatuh sakit. Dokternya tidak yakin dengan hasil tesnya yang membingungkan, dan dia semakin sakit. Sebuah kebetulan yang beruntung menyelamatkan hidupnya. Young menggambarkan situasinya kepada ayahnya, seorang peneliti medis, yang segera mengenali tanda-tanda anemia aplastik - kondisi darah yang tidak biasa yang menjadi subjek penelitiannya sendiri. “Sebenarnya sangat jarang terkena penyakit ini, pertama-tama,” kata Mak. "Dan bahkan lebih jarang untuk mendapatkan penyakit yang ayah teman sekamarmu adalah ahlinya."
Ayah Young membantu Mak mendaftar dalam perawatan eksperimental. Dia menghabiskan sebagian besar tahun terakhirnya di sekolah pascasarjana di rumah sakit dan hampir mati beberapa kali. Sepanjang cobaan itu, semangat Mak untuk fisika mendorongnya untuk terus bekerja. “Dia sedang menulis PRL surat dari ranjang rumah sakitnya, ”kata Young, mengacu pada jurnal Physical Review Letters. “Terlepas dari semua ini, dia adalah salah satu siswa paling produktif yang pernah ada,” kata Heinz. "Itu adalah keajaiban."
Perawatan lebih lanjut akhirnya membantu Mak sembuh total. Young, dirinya seorang eksperimentalis terkenal, kemudian menyindir tentang intervensinya, "Di antara teman-teman saya menyebutnya sebagai kontribusi terbesar saya untuk fisika."
Ke Gurun 2D
Mak pindah ke Cornell sebagai peneliti pascadoktoral pada 2012, saat itu Shan sudah kembali ke Case Western. Mereka mengejar proyek individu dengan graphene dan bahan lainnya, tetapi mereka juga terus membuka rahasia TMD lebih lanjut bersama-sama.
Di Cornell, Mak mempelajari seni pengukuran transpor elektron — cara utama lain untuk meramalkan pergerakan elektron, selain optik. Keahlian ini membuatnya dan Shan menjadi ancaman ganda di bidang di mana para peneliti biasanya berspesialisasi dalam satu jenis atau yang lain. “Setiap kali saya bertemu Fai dan Jie saya mengeluh, 'Tidak adil kalian melakukan transportasi,'” kata Kim. "Apa yang harus aku lakukan?"
Semakin banyak duo belajar tentang TMD, semakin menarik mereka. Para peneliti biasanya fokus pada salah satu dari dua sifat elektron: muatan dan putarannya (atau momentum sudut intrinsik). Mengontrol aliran muatan listrik adalah dasar dari elektronik modern. Dan membalik putaran elektron dapat menyebabkan perangkat "spintronics" yang mengemas lebih banyak informasi ke dalam ruang yang lebih kecil. Pada tahun 2014, Mak membantu menemukan bahwa elektron dalam moly disulfida 2D dapat memperoleh properti ketiga yang istimewa: Elektron ini harus bergerak dengan momentum dalam jumlah tertentu, atribut yang dapat dikontrol yang dikenal sebagai "lembah" yang menurut para peneliti mungkin akan menelurkan bidang ketiga dari teknologi "valleytronics".
Pada tahun yang sama, Mak dan Shan mengidentifikasi fitur lain yang mencolok dari TMD. Elektron bukan satu-satunya entitas yang bergerak melalui kristal; fisikawan juga melacak "lubang", kekosongan yang tercipta ketika elektron melompat ke tempat lain. Lubang-lubang ini dapat menjelajahi material seperti partikel bermuatan positif nyata. Lubang positif menarik elektron negatif untuk membentuk kemitraan singkat, yang dikenal sebagai eksiton, pada saat sebelum elektron menyumbat lubang. Shan dan Mak mengukur daya tarik antara elektron dan lubang di 2D tungsten diselenide dan ditemukan ratusan kali lebih kuat daripada di semikonduktor 3D yang khas. Temuan ini mengisyaratkan bahwa rangsangan dalam TMD bisa sangat kuat, dan bahwa secara umum elektron lebih cenderung melakukan segala macam hal aneh.
Pasangan itu mengamankan posisi bersama di Pennsylvania State University dan memulai laboratorium di sana. Akhirnya yakin bahwa TMD layak mempertaruhkan karir mereka, mereka menjadikan materi sebagai fokus grup baru mereka. Mereka juga menikah.
Sementara itu, tim Hone di Columbia melihat sifat graphene menjadi lebih ekstrim ketika mereka menempatkannya di atas isolator berkualitas tinggi, boron nitrida. Itu adalah contoh awal dari salah satu aspek paling baru dari material 2D: kemampuan susunnya.
Letakkan satu bahan 2D di atas yang lain, dan lapisan-lapisannya akan terpisah sepersekian nanometer — tidak ada jarak sama sekali dari perspektif elektronnya. Akibatnya, lembaran yang ditumpuk secara efektif bergabung menjadi satu zat. "Ini bukan hanya dua bahan bersama-sama," kata Wang. "Kamu benar-benar membuat materi baru."
Sedangkan graphene secara eksklusif terdiri dari atom karbon, keluarga beragam kisi TMD membawa lusinan elemen tambahan ke dalam permainan susun. Setiap TMD memiliki kemampuan intrinsiknya sendiri. Beberapa bersifat magnetis; superkonduktor lainnya. Para peneliti menantikan untuk mencampur dan mencocokkannya dengan bahan fashion dengan kekuatan gabungan mereka.
Tetapi ketika kelompok Hone menempatkan moly disulfide pada isolator, sifat-sifat tumpukan menunjukkan keuntungan yang kurang bagus dibandingkan dengan apa yang mereka lihat di graphene. Akhirnya mereka menyadari bahwa mereka belum memeriksa kualitas kristal TMD. Ketika beberapa rekan mereka menempelkan moly disulfide mereka di bawah mikroskop yang mampu memecahkan atom individu, mereka tercengang. Beberapa atom duduk di tempat yang salah, sementara yang lain hilang sama sekali. Sebanyak 1 dari 100 situs kisi memiliki beberapa masalah, menghambat kemampuan kisi untuk mengarahkan elektron. Graphene, sebagai perbandingan, adalah citra kesempurnaan, dengan kira-kira satu cacat per juta atom. “Kami akhirnya menyadari bahwa barang-barang yang kami beli benar-benar sampah,” kata Hone.
Sekitar tahun 2016, ia memutuskan untuk terjun ke bisnis pengembangan TMD tingkat penelitian. Dia merekrut seorang postdoc, Daniel Rhodes, dengan pengalaman menumbuhkan kristal dengan melelehkan bubuk bahan mentah pada suhu yang sangat tinggi dan kemudian mendinginkannya dengan kecepatan glasial. “Ini seperti menanam permen batu dari gula dalam air,” jelas Hone. Proses baru memakan waktu satu bulan, dibandingkan dengan beberapa hari untuk metode komersial. Tapi itu menghasilkan kristal TMD ratusan hingga ribuan kali lebih baik daripada yang dijual di katalog kimia.
Sebelum Shan dan Mak dapat memanfaatkan kristal Hone yang semakin murni, mereka menghadapi tugas yang tidak menarik untuk mencari tahu cara bekerja dengan serpihan mikroskopis yang tidak suka menerima elektron. Untuk memompa elektron (dasar dari teknik transportasi yang diambil Mak sebagai postdoc), pasangan itu terobsesi dengan detail yang tak terhitung jumlahnya: jenis logam apa yang digunakan untuk elektroda, seberapa jauh dari TMD untuk menempatkannya, bahkan bahan kimia apa yang akan digunakan. gunakan untuk membersihkan kontak. Mencoba cara tanpa akhir dalam menyiapkan elektroda itu lambat dan melelahkan - "proses yang memakan waktu untuk menyempurnakan ini atau menyempurnakan itu sedikit demi sedikit," kata Mak.
Mereka juga menghabiskan waktu bertahun-tahun mencari cara untuk mengangkat dan menumpuk serpihan mikroskopis, yang ukurannya hanya sepersepuluh juta meter. Dengan kemampuan ini, ditambah kristal Hone dan kontak listrik yang lebih baik, semuanya bersatu pada tahun 2018. Pasangan itu pindah ke Ithaca, New York, untuk mengambil posisi baru di Cornell, dan serangkaian hasil perintis keluar dari lab mereka.
Terobosan di Cornell
“Hari ini, semuanya sulit untuk diambil karena alasan tertentu,” kata Zhengchao Xia, seorang mahasiswa pascasarjana di kelompok Mak dan Shan, ketika siluet gelap serpihan boron nitrida mengancam akan terkelupas dan jatuh kembali ke permukaan silikon di bawah. Lembaran berbentuk Madagaskar itu menempel lemah pada sebongkah grafit yang menyerupai Arab Saudi, seperti halnya kertas yang menempel pada permukaan balon yang baru saja digosok. Grafit, pada gilirannya, menempel pada titik embun lengket plastik yang menempel pada slide kaca. Xia menggunakan antarmuka komputer untuk mengarahkan dudukan bermotor yang mencengkeram slide. Seperti seorang penonton arcade yang dapat menggerakkan mesin cakar dengan joystick, dia dengan hati-hati mengangkat tumpukan itu ke udara dengan kecepatan seperlima juta meter per klik mouse, menatap tajam ke monitor komputer untuk melihat apakah dia telah berhasil menangkap serpihan boron nitrida.
Dia punya. Dengan beberapa klik lagi, tumpukan dua lapis itu terlepas, dan Xia bergerak dengan cepat tetapi sengaja untuk meletakkan serpihan ke bahan ketiga yang disematkan dengan elektroda logam yang luas. Dengan beberapa klik lagi, dia memanaskan permukaannya, melelehkan perekat plastik slide sebelum kami berdua bisa menghilangkan perangkat mikroskopis itu.
"Saya selalu mengalami mimpi buruk ini yang hilang begitu saja," katanya.
Dari awal hingga akhir, Xia membutuhkan lebih dari satu jam untuk merakit bagian bawah perangkat sederhana — setara dengan PB&J berwajah terbuka. Dia menunjukkan tumpukan lain yang baru-baru ini dia kumpulkan dan menyebutkan beberapa bahan, termasuk TMDs tungsten diselenide dan moly ditelluride. Salah satu dari lusinan sandwich mikroskopis yang telah dia buat dan pelajari selama setahun terakhir, perangkat Dagwood ini memiliki 10 lapisan dan membutuhkan beberapa jam untuk dirakit.
Penumpukan material 2D ini, yang juga dilakukan di laboratorium di Columbia, Massachusetts Institute of Technology, Berkeley, Harvard, dan institusi lainnya, merupakan realisasi dari mimpi lama para fisikawan materi terkondensasi. Peneliti tidak lagi terbatas pada bahan yang ditemukan di tanah atau tumbuh perlahan di laboratorium. Sekarang mereka dapat bermain dengan batu bata Lego yang setara dengan atom, menyatukan lembaran untuk membangun struktur yang dipesan lebih dahulu dengan sifat yang diinginkan. Ketika datang untuk merakit struktur TMD, hanya sedikit yang melangkah sejauh kelompok Cornell.
Penemuan besar pertama Mak dan Shan di Cornell berkaitan dengan excitons, pasangan elektron-hole yang terikat kuat yang pernah mereka lihat di TMD pada tahun 2014. Excitons menarik fisikawan karena ini “kuasipartikel” mungkin menawarkan jalan memutar untuk mencapai tujuan abadi fisika benda terkondensasi: superkonduktivitas suhu kamar.
Excitons bermain dengan aturan funky yang sama seperti pasangan elektron-elektron; pasangan elektron-lubang ini juga menjadi boson, yang memungkinkan mereka "mengembun" menjadi keadaan kuantum bersama yang dikenal sebagai kondensat Bose-Einstein. Gerombolan kuasipartikel yang koheren ini dapat menampilkan sifat-sifat kuantum seperti superfluiditas, kemampuan untuk mengalir tanpa hambatan. (Ketika superfluida membawa arus listrik, superkonduktor.)
Tetapi tidak seperti elektron tolak-menolak, elektron dan hole suka berpasangan. Para peneliti mengatakan ini berpotensi membuat lem mereka lebih kuat. Tantangan superkonduktivitas berbasis eksiton terletak pada menjaga elektron agar tidak mengisi lubang, dan membuat pasangan listrik netral mengalir dalam arus — semuanya dalam ruangan sehangat mungkin. Sejauh ini, Mak dan Shan telah memecahkan masalah pertama dan memiliki rencana untuk mengatasi masalah kedua.
Awan atom dapat dibujuk untuk membentuk kondensat dengan mendinginkannya hingga sehelai rambut di atas nol mutlak dengan laser yang kuat. Tetapi para ahli teori telah lama menduga bahwa kondensat dari rangsangan dapat terbentuk pada suhu yang lebih tinggi. Grup Cornell mewujudkan ide ini dengan TMD mereka yang dapat ditumpuk. Menggunakan sandwich dua lapis, mereka menempatkan elektron ekstra di lapisan atas dan mengeluarkan elektron dari bawah, meninggalkan lubang. Elektron dan hole berpasangan, membuat eksiton yang berumur panjang karena elektron kesulitan melompat ke lapisan yang berlawanan untuk menetralkan pasangannya. Pada Oktober 2019, grup tanda-tanda yang dilaporkan dari kondensat eksiton pada 100 kelvin yang nyaman. Dalam pengaturan ini, rangsangan bertahan selama puluhan nanodetik, seumur hidup untuk jenis kuasipartikel ini. Di musim gugur 2021, kelompok tersebut menggambarkan peralatan yang ditingkatkan di mana rangsangan tampaknya berlangsung selama milidetik, yang disebut Mak "hampir selamanya."
Tim sekarang sedang mengejar sebuah skema dibuat oleh para ahli teori pada tahun 2008 untuk menciptakan arus exciton. Alan MacDonald, seorang ahli teori materi terkondensasi terkemuka di University of Texas, Austin, dan mahasiswa pascasarjananya Jung-Jung Su mengusulkan membuat aliran eksiton netral dengan menerapkan orientasi medan listrik dengan cara yang mendorong elektron dan lubang untuk bergerak ke arah yang sama. Untuk melakukannya di lab, kelompok Cornell harus sekali lagi bergulat dengan musuh abadi mereka, kontak listrik. Dalam hal ini, mereka harus memasang beberapa set elektroda ke lapisan TMD, beberapa untuk membuat rangsangan dan yang lain untuk memindahkannya.
Shan dan Mak yakin bahwa mereka berada di jalur yang tepat untuk segera mengalirkan rangsangan hingga 100 kelvin. Itu adalah ruangan yang sangat dingin untuk seseorang (−173 derajat Celcius atau 280 derajat Fahrenheit), tetapi ini adalah lompatan besar dari kondisi nanokelvin yang dibutuhkan sebagian besar kondensat bosonik.
"Itu sendiri akan menjadi pencapaian yang bagus," kata Mak sambil tersenyum licik, "untuk menghangatkan suhu satu miliar kali."
Bahan Moiré Ajaib
Pada tahun 2018, ketika lab Cornell meningkatkan eksperimen TMD mereka, kejutan graphene lain meluncurkan revolusi material 2D kedua. Pablo Jarillo-Herrero, seorang peneliti di MIT dan alumni Columbia lainnya, mengumumkan bahwa memutar satu lapisan graphene sehubungan dengan lapisan di bawahnya menciptakan materi 2D baru yang ajaib. Rahasianya adalah untuk menjatuhkan lapisan atas sedemikian rupa sehingga segi enamnya mendarat dengan sedikit "memutar", sehingga mereka diputar tepat 1.1 derajat terhadap segi enam di bawahnya. Ketidaksejajaran sudut ini menyebabkan offset antara atom yang tumbuh dan menyusut saat Anda bergerak melintasi material, menghasilkan pola berulang "supercell" besar yang dikenal sebagai moiré superlattice. MacDonald dan seorang rekan punya dihitung pada tahun 2011 bahwa pada "sudut ajaib" 1.1 derajat, struktur kristal unik dari superlattice akan memaksa elektron graphene untuk memperlambat dan merasakan tolakan tetangga mereka.
Ketika elektron menjadi sadar satu sama lain, hal-hal aneh terjadi. Dalam isolator, konduktor, dan semikonduktor normal, elektron dianggap hanya berinteraksi dengan kisi atom; mereka berlomba terlalu cepat untuk saling memperhatikan. Tetapi melambat hingga merangkak, elektron dapat saling berdesak-desakan dan secara kolektif mengasumsikan bermacam-macam keadaan kuantum yang eksotis. Eksperimen Jarillo-Herrero menunjukkan bahwa, untuk kurang dipahami alasan, komunikasi elektron-ke-elektron dalam graphene sudut-ajaib yang bengkok ini menimbulkan bentuk superkonduktivitas yang sangat kuat.
Grafena moiré superlattice juga memperkenalkan para peneliti pada cara baru yang radikal untuk mengendalikan elektron. Dalam superlattice, elektron menjadi tidak menyadari atom individu dan mengalami supercell sendiri seolah-olah mereka adalah atom raksasa. Hal ini memudahkan untuk mengisi supersel dengan elektron yang cukup untuk membentuk keadaan kuantum kolektif. Menggunakan medan listrik untuk menaikkan atau menurunkan jumlah rata-rata elektron per supersel, kelompok Jarillo-Herrero mampu membuat perangkat graphene bilayer bengkok mereka berfungsi sebagai superkonduktor, bertindak sebagai sebuah isolator, atau tampilkan a rakit lainnya, perilaku elektron asing.
Fisikawan di seluruh dunia bergegas ke bidang "twistronika" yang baru lahir. Tetapi banyak yang menemukan bahwa memutar itu sulit. Atom tidak memiliki alasan untuk jatuh dengan rapi ke dalam ketidaksejajaran 1.1 derajat "ajaib", sehingga lembaran berkerut dengan cara yang sepenuhnya mengubah sifat mereka. Xia, mahasiswa pascasarjana Cornell, mengatakan dia memiliki banyak teman di universitas lain yang bekerja dengan perangkat bengkok. Membuat perangkat yang berfungsi biasanya membutuhkan puluhan kali percobaan. Dan meskipun demikian, setiap perangkat berperilaku berbeda, sehingga eksperimen tertentu hampir mustahil untuk diulang.
TMD menghadirkan cara yang jauh lebih mudah untuk membuat moiré superlattices. Karena TMD yang berbeda memiliki kisi heksagonal dengan ukuran yang berbeda, menumpuk kisi segi enam yang sedikit lebih besar di atas kisi yang lebih kecil menciptakan pola moiré seperti halnya ketidaksejajaran sudut. Dalam hal ini, karena tidak ada rotasi di antara lapisan, tumpukan kemungkinan besar akan menempel pada tempatnya dan tetap diam. Ketika Xia mulai membuat perangkat TMD moiré, katanya, dia biasanya berhasil empat kali dari lima.
Bahan moiré TMD membuat taman bermain yang ideal untuk menjelajahi interaksi elektron. Karena bahannya adalah semikonduktor, elektronnya menjadi berat saat mereka bekerja keras melalui bahan, tidak seperti elektron hingar bingar di graphene. Dan sel moiré raksasa memperlambatnya lebih jauh: Sementara elektron sering berpindah antar atom dengan "penerowongan", perilaku mekanika kuantum yang mirip dengan teleportasi, tunneling jarang terjadi dalam kisi moiré, karena supersel duduk kira-kira 100 kali lebih jauh dari atom di dalamnya. . Jarak membantu elektron menetap dan memberi mereka kesempatan untuk mengenal tetangga mereka.
Saingan ramah Shan dan Mak, Feng Wang, adalah salah satu yang pertama mengenali potensi superlattice TMD moiré. Perhitungan back-of-the-envelope menyarankan bahwa bahan-bahan ini harus menimbulkan salah satu cara paling sederhana elektron dapat mengatur - keadaan yang dikenal sebagai kristal Wigner, di mana saling tolak mengunci elektron lesu ke tempatnya. Tim Wang melihat tanda-tanda negara seperti itu pada tahun 2020 dan diterbitkan gambar pertama elektron yang menahan satu sama lain pada jarak yang Alam pada tahun 2021. Saat itu, berita tentang aktivitas TMD moiré Wang telah menyebar melalui komunitas fisika 2D yang erat, dan pabrik TMD Cornell membuat perangkat TMD moiré mereka sendiri. Shan dan Mak juga melaporkan bukti kristal Wigner di superlattice TMD pada tahun 2020 dan menemukan dalam beberapa bulan bahwa elektron di perangkat mereka dapat mengkristal di hampir dua lusin pola kristal Wigner yang berbeda.
Pada saat yang sama, grup Cornell juga membuat bahan moiré TMD menjadi alat listrik. MacDonald dan kolaborator telah diprediksi pada tahun 2018 bahwa perangkat ini memiliki kombinasi fitur teknis yang tepat untuk menjadikannya sempurna mewakili salah satu model mainan terpenting dalam fisika benda terkondensasi. Model Hubbard, demikian sebutannya, adalah sistem berteori yang digunakan untuk memahami berbagai macam perilaku elektron. Diusulkan secara independen oleh Martin Gutzwiller, Junjiro Kanamori dan John Hubbard pada tahun 1963, model ini adalah upaya terbaik fisikawan untuk mengupas berbagai kisi kristal yang praktis tak terbatas ke fitur yang paling penting. Bayangkan kisi-kisi atom yang menampung elektron. Model Hubbard mengasumsikan bahwa setiap elektron merasakan dua kekuatan yang bersaing: Ia ingin bergerak dengan membuat terowongan ke atom tetangga, tetapi juga ditolak oleh tetangganya, yang membuatnya ingin tetap di tempatnya. Perilaku yang berbeda muncul tergantung pada keinginan yang paling kuat. Satu-satunya masalah dengan model Hubbard adalah bahwa dalam semua kasus kecuali yang paling sederhana — rangkaian atom 1D — secara matematis tidak dapat dipecahkan.
Menurut MacDonald dan rekan, bahan moiré TMD dapat bertindak sebagai "simulator" model Hubbard, berpotensi memecahkan beberapa misteri terdalam bidang, seperti sifat lem yang mengikat elektron menjadi pasangan superkonduktor di cuprates. Alih-alih berjuang dengan persamaan yang mustahil, para peneliti dapat melepaskan elektron dalam sandwich TMD dan melihat apa yang mereka lakukan. “Kita dapat menuliskan model ini, tetapi sangat sulit untuk menjawab banyak pertanyaan penting,” kata MacDonald. “Sekarang kita bisa melakukannya hanya dengan melakukan percobaan. Itu benar-benar terobosan.”
Untuk membangun simulator model Hubbard mereka, Shan dan Mak menumpuk lapisan tungsten diselenide dan tungsten sulfida untuk membuat moiré superlattice, dan mereka memasang elektroda untuk menaikkan atau menurunkan medan listrik yang melewati sandwich TMD. Medan listrik mengontrol berapa banyak elektron yang akan mengisi setiap supercell. Karena sel bertindak seperti atom raksasa, berpindah dari satu elektron ke dua elektron per supersel seperti mengubah kisi atom hidrogen menjadi kisi atom helium. Dalam mereka publikasi model Hubbard awal in Alam pada Maret 2020, mereka melaporkan simulasi atom dengan hingga dua elektron; hari ini, mereka bisa naik ke delapan. Dalam beberapa hal, mereka telah menyadari tujuan kuno mengubah timah menjadi emas. "Ini seperti menyetel kimia," kata Mak, "melalui tabel periodik." Pada prinsipnya, mereka bahkan dapat memunculkan kisi atom fiktif dengan, katakanlah, masing-masing 1.38 elektron.
Selanjutnya, kelompok itu melihat ke jantung atom buatan. Dengan lebih banyak elektroda, mereka dapat mengontrol "potensi" supersel dengan membuat perubahan yang mirip dengan menambahkan proton positif ke pusat atom sintetis raksasa. Semakin banyak muatan yang dimiliki nukleus, semakin sulit bagi elektron untuk keluar, jadi medan listrik ini membiarkan mereka menaikkan dan menurunkan kecenderungan melompat.
Kontrol Mak dan Shan atas atom-atom raksasa — dan karena itu model Hubbard — telah selesai. Sistem TMD moiré memungkinkan mereka memanggil kisi atom ersatz, bahkan atom yang tidak ada di alam, dan dengan lancar mengubahnya sesuai keinginan. Ini adalah kekuatan yang, bahkan bagi peneliti lain di lapangan, berbatasan dengan magis. “Jika saya harus memilih upaya mereka yang paling menarik dan mengesankan, itulah satu-satunya,” kata Kim.
Kelompok Cornell dengan cepat menggunakan atom perancang mereka untuk menyelesaikan perdebatan berusia 70 tahun. Pertanyaannya adalah: Bagaimana jika Anda dapat mengambil isolator dan mengubah atomnya untuk mengubahnya menjadi logam konduktor? Apakah pergantian tersebut akan terjadi secara bertahap atau tiba-tiba?
Dengan alkimia moiré mereka, Shan dan Mak melakukan eksperimen pemikiran di lab mereka. Pertama mereka mensimulasikan atom berat, yang menjebak elektron sehingga superlattice TMD bertindak seperti isolator. Kemudian mereka mengecilkan atom, melemahkan perangkap sampai elektron dapat melompat ke kebebasan, membiarkan superlattice menjadi logam konduktor. Dengan mengamati penurunan hambatan listrik secara bertahap ketika superlattice bertindak semakin seperti logam, mereka menunjukkan bahwa transisi tidak tiba-tiba. Temuan ini, yang mereka mengumumkan in Alam tahun lalu, membuka kemungkinan bahwa elektron superlattice mungkin dapat mencapai jenis fluiditas yang telah lama dicari yang dikenal sebagai cairan putaran kuantum. “Itu mungkin masalah paling menarik yang bisa diatasi,” kata Mak.
Hampir pada saat yang sama, pasangan itu beruntung dalam apa yang oleh beberapa fisikawan dianggap sebagai penemuan mereka yang paling signifikan. "Itu sebenarnya kecelakaan total," kata Mak. “Tidak ada yang mengharapkannya.”
Ketika mereka memulai penelitian simulator Hubbard mereka, para peneliti menggunakan sandwich TMD di mana segi enam pada dua lapisan sejajar, dengan logam transisi di atas logam transisi dan chalcogenides di atas chalcogenides. (Saat itulah mereka menemukan transisi bertahap isolator-ke-logam.) Kemudian, kebetulan, mereka mengulangi percobaan dengan perangkat di mana lapisan atas telah ditumpuk ke belakang.
Seperti sebelumnya, resistansi mulai turun ketika elektron mulai melompat. Tapi kemudian jatuh tiba-tiba, menjadi sangat rendah sehingga para peneliti bertanya-tanya apakah moiré telah mulai menjadi superkonduktor. Menjelajah lebih jauh, mereka mengukur pola resistensi yang langka dikenal sebagai efek Hall anomali kuantum — bukti bahwa sesuatu yang lebih aneh sedang terjadi. Efeknya menunjukkan bahwa struktur kristal perangkat itu memaksa elektron di sepanjang tepi material untuk bertindak berbeda dari yang ada di tengah. Di tengah perangkat, elektron terjebak dalam keadaan isolasi. Tapi di sekelilingnya, mereka mengalir ke satu arah — menjelaskan resistensi yang sangat rendah. Secara tidak sengaja, para peneliti telah menciptakan jenis materi yang sangat tidak biasa dan rapuh yang dikenal sebagai isolator Chern.
Efek hall anomali kuantum, pertama kali diamati pada tahun 2013, biasanya hancur jika suhu naik di atas beberapa ratus kelvin. Pada tahun 2019, grup Young di Santa Barbara telah melihatnya di sandwich graphene bengkok sekali pakai sekitar 5 kelvin. Sekarang Shan dan Mak telah mencapai efek pada suhu yang hampir sama, tetapi dalam perangkat TMD tanpa putaran yang dapat dibuat ulang oleh siapa pun. “Suhu kami lebih tinggi, tetapi saya akan mengambilnya setiap hari karena mereka dapat melakukannya 10 kali berturut-turut,” kata Young. Itu berarti Anda dapat memahaminya “dan menggunakannya untuk benar-benar melakukan sesuatu.”
Mak dan Shan percaya bahwa, dengan sedikit mengutak-atik, mereka dapat menggunakan bahan moiré TMD untuk membangun isolator Chern yang bertahan hingga 50 atau 100 kelvin. Jika berhasil, pekerjaan tersebut dapat mengarah ke cara lain untuk mengalirkan arus tanpa hambatan — setidaknya untuk "kabel nano" kecil, yang bahkan dapat dinyalakan dan dimatikan di tempat tertentu dalam perangkat.
Eksplorasi di Flatland
Bahkan saat hasil penting menumpuk, pasangan itu tidak menunjukkan tanda-tanda melambat. Pada hari saya berkunjung, Mak melihat para siswa bermain-main dengan lemari es pengencer yang menjulang tinggi yang akan membuat mereka mendinginkan perangkat mereka ke suhu seribu kali lebih dingin daripada yang telah mereka kerjakan sejauh ini. Ada begitu banyak fisika yang ditemukan pada kondisi "lebih hangat" sehingga kelompok tersebut tidak memiliki kesempatan untuk secara menyeluruh mencari tanda-tanda superkonduktivitas di alam kriogenik yang lebih dalam. Jika kulkas super memungkinkan superkonduktor TMD, itu akan menjawab pertanyaan lain, menunjukkan bahwa suatu bentuk magnetisme intrinsik untuk cuprates (tetapi tidak ada dalam TMD) bukan merupakan bahan penting dari lem pengikat elektron. “Itu seperti membunuh salah satu komponen penting yang sangat ingin dibunuh oleh para ahli teori sejak lama,” kata Mak.
Dia dan Shan dan kelompok mereka bahkan belum mulai bereksperimen dengan beberapa TMD yang lebih funky. Setelah menghabiskan bertahun-tahun menciptakan peralatan yang dibutuhkan untuk bergerak di sekitar benua bahan 2D, mereka akhirnya bersiap untuk menjelajah di luar tempat berpijak moly disulfide tempat mereka mendarat pada tahun 2010.
Kedua peneliti mengaitkan kesuksesan mereka dengan budaya kerja sama yang mereka serap di Columbia. Kolaborasi awal dengan Hone yang memperkenalkan mereka pada moly disulfide, kata mereka, hanyalah salah satu dari sekian banyak peluang yang mereka nikmati karena mereka bebas mengikuti rasa penasaran mereka. “Kami tidak perlu mendiskusikan” rencana mereka dengan Heinz, kepala lab mereka, kata Shan. “Kami berbicara dengan orang-orang dari kelompok lain. Kami melakukan percobaan. Kami bahkan menyelesaikan semuanya. ”
Hari ini mereka mengembangkan lingkungan santai yang sama di Cornell, di mana mereka mengawasi beberapa lusin postdocs, peneliti tamu dan mahasiswa, yang semuanya sebagian besar bebas untuk melakukan hal mereka sendiri. “Siswa sangat cerdas dan memiliki ide yang bagus,” kata Mak. “Terkadang Anda tidak ingin ikut campur.”
Pernikahan mereka juga membuat lab mereka unik. Keduanya telah belajar untuk bersandar pada kekuatan pribadi mereka. Selain kreativitas yang melimpah sebagai seorang eksperimentalis, Shan memiliki disiplin yang cermat yang membuatnya menjadi manajer yang baik; saat kami bertiga berbicara, dia sering mendorong "Profesor Fai" kembali ke jalurnya ketika antusiasmenya terhadap fisika mendorongnya terlalu jauh ke dalam hal teknis. Mak, pada bagiannya, senang bekerja keras bersama para peneliti awal karir, baik di dalam maupun di luar lab. Dia baru-baru ini mulai panjat tebing dengan grup. “Sepertinya lab mereka adalah keluarga mereka,” kata Young. Shan dan Mak memberi tahu saya bahwa mereka mencapai lebih banyak hal bersama daripada yang bisa mereka lakukan sendiri. “Satu tambah satu lebih dari dua,” kata Mak.
Perangkat yang mereka buat juga dapat menumpuk lebih dari jumlah bagiannya. Ketika para peneliti menggabungkan lembaran TMD bersama-sama untuk menciptakan excitons dan moiré superlattices, mereka berspekulasi tentang bagaimana cara-cara baru mendomestikasi elektron dapat meningkatkan teknologi. Bahkan jika superkonduktivitas siap-saku tetap sulit dipahami, kondensat Bose-Einstein dapat menghasilkan sensor kuantum ultra-sensitif, dan kontrol yang lebih baik terhadap isolator mirip Chern dapat memungkinkan komputer kuantum yang kuat. Dan itu hanya ide yang jelas. Peningkatan inkremental dalam ilmu material sering menambah aplikasi radikal beberapa melihat datang. Para peneliti yang mengembangkan transistor, misalnya, akan berjuang untuk memprediksi smartphone yang ditenagai oleh miliaran sakelar mikroskopis yang dimasukkan ke dalam chip seukuran kuku. Dan para ilmuwan yang berusaha membuat serat kaca yang dapat membawa cahaya melintasi bangku lab mereka tidak dapat memperkirakan bahwa serat optik bawah laut 10,000 kilometer suatu hari nanti akan menghubungkan benua. Materi dua dimensi dapat berkembang ke arah yang sama tidak terduganya. “Platform material yang benar-benar baru menghasilkan aplikasinya sendiri, bukan menggantikan material yang ada,” kata Heinz.
Saat mengantar saya ke halte bus Ithaca, Shan dan Mak memberi tahu saya tentang liburan baru-baru ini (dan langka) yang mereka lakukan ke Banff, Kanada, di mana mereka sekali lagi menunjukkan bakat mereka untuk menemukan kejutan melalui perpaduan usaha dan keberuntungan. Mereka telah menghabiskan berhari-hari mencoba—dengan sia-sia—untuk menemukan beruang. Kemudian, di akhir perjalanan, dalam perjalanan ke bandara, mereka berhenti untuk meregangkan kaki di cagar alam dan mendapati diri mereka berhadapan dengan beruang hitam.
Demikian pula, dengan fisika benda terkondensasi, pendekatan mereka adalah mengembara bersama di lanskap baru dan melihat apa yang muncul. “Kami tidak memiliki banyak panduan teoretis, tetapi kami hanya bermain-main dan bermain-main dengan eksperimen,” kata Mak. “Itu bisa gagal, tetapi terkadang Anda bisa menabrak sesuatu yang sangat tidak terduga.”
