צמד פיזיקה מוצא קסם בשני מימדים

מוליבדניט, אפילו לעין מאומנת, נראה כמעט זהה לגרפיט - גביש מבריק וכסוף. גם הוא פועל באופן דומה, מוריד פתיתים באופן שיהפוך למילוי עיפרון טוב. אבל לאלקטרון, שתי רשתות האטומים יוצרות עולמות שונים. ההבחנה נכנסה לראשונה לשיא המדעי לפני 244 שנים. קארל שילה, כימאי שוודי הידוע בגילוי החמצן שלו, צלל כל מינרל לתוך חומצות מגוונות וצפה בענני הגז המפחידים שהסתובבו. שילה, שבסופו של דבר שילם על הגישה הזו בחייו, מת מהרעלת מתכות כבדות חשד בגיל 43, הגיע למסקנה שמוליבדניט הוא חומר חדש. כשתיאר זאת במכתב לאקדמיה המלכותית השוודית למדעים ב-1778, הוא כתב, "אני לא מתייחס כאן לגרפיט הידוע הנפוץ שאפשר לרכוש מהרוקח. נראה כי מתכת המעבר הזו אינה ידועה."

עם נטייתו להתקלף לרסיסים אבקתיים, מוליבדניט הפך לחומר סיכה פופולרי במאה ה-20. זה עזר למגלשיים לגלוש רחוק יותר בשלג והחליק את יציאת הכדורים מקנה רובה בווייטנאם.

היום, אותה קשקוש מעורר מהפכה בפיזיקה.

פריצות הדרך התחילו עם גרפיט וסקוטש. חוקרים גילו במקרה בשנת 2004 שהם יכולים להשתמש בסרט כדי לקלף פתיתי גרפיט בעובי של אטום אחד בלבד. ליריעות הגבישיות הללו, כל אחת מערך שטוח של אטומי פחמן, היו תכונות מדהימות שהיו שונות בתכלית מאלו של הגבישים התלת מימדיים מהם הגיעו. גרפן (כפי שמגליו כינו אותו) היה קטגוריה חדשה לגמרי של חומר - חומר דו-ממדי. גילויו שינה את הפיזיקה של החומר המעובה, ענף הפיזיקה המבקש להבין את הצורות וההתנהגויות הרבות של החומר. כמעט מחצית מכל הפיזיקאים הם פיזיקאים של חומר מעובה; זה תת התחום שהביא לנו שבבי מחשב, לייזרים, נורות לד, מכונות MRI, פאנלים סולאריים וכל מיני פלאים טכנולוגיים מודרניים. לאחר גילויו של גרפן, אלפי פיזיקאים של חומר מעובה החלו לחקור את החומר החדש, בתקווה שהוא יעמוד תחת טכנולוגיות עתידיות.

מגלי גרפן קיבלו את פרס נובל לפיזיקה בשנת 2010. באותה שנה, שני פיזיקאים צעירים מאוניברסיטת קולומביה, ג'י שאן ו Kin Fai Mak, ראו סימנים לכך שפתיתי מוליבדניט עשויים להיות קסומים אפילו יותר מגרפן. למינרל הפחות מוכר יש תכונות שמקשות על הלימוד - קשה מדי עבור מעבדות רבות - אבל הוא כבש את שאן ומאק. הצמד העיקש הקדיש כמעט עשור למאבק מוליבדניט דו-ממדי (או מוליבדן דיסולפיד, כפי שמכונה הגרסה שגדלה במעבדה) ומשפחה של גבישים דו-ממדיים קרובים.

כעת המאמץ שלהם משתלם. שאן ומק, הנשואים כעת ומנהלים קבוצת מחקר משותפת באוניברסיטת קורנל, הראו שגבישים דו-ממדיים של מוליבדן דיסולפיד וקרוביו יכולים להוליד מגוון עצום של תופעות קוונטיות אקזוטיות. "זה מגרש משחקים מטורף," אמר ג'יימס הון, חוקר בקולומביה המספק למעבדת קורנל גבישים איכותיים. "אתה יכול לעשות את כל הפיזיקה המודרנית של החומר המעובה במערכת חומרית אחת."

הקבוצה של שאן ומאק לכדה אלקטרונים שהתנהגו בדרכים חסרות תקדים בגבישים השטוחים האלה. הם שידלו את החלקיקים להתמזג לנוזל קוונטי ולהקפיא למבחר של מבנים דמויי קרח. הם למדו להרכיב רשתות של אטומים מלאכותיים ענקיים המשמשים כעת כמיטות בדיקה לתיאוריות יסוד של חומר. מאז פתחו את מעבדת קורנל שלהם ב-2018, מאסטר האלקטרונים פרסמו שמונה מאמרים מנקרי עיניים ב טבע, כתב העת היוקרתי ביותר במדע, כמו גם שלל מאמרים נוספים. תיאורטיקנים אומרים שבני הזוג מרחיבים את ההבנה למה מסוגלים המוני אלקטרונים.

המחקר שלהם "מרשים מאוד בהיבטים רבים", אמר פיליפ קים, פיזיקאי בולט של חומר מעובה באוניברסיטת הרווארד. "זה, הייתי אומר, סנסציוני."

עליית חומרים דו מימדיים

תכונות החומר בדרך כלל משקפות את מה שהאלקטרונים שלו עושים. במוליכים כמו מתכות, למשל, אלקטרונים שטים בין אטומים בקלות, נושאים חשמל. במבודדים כמו עץ ​​וזכוכית, האלקטרונים נשארים במקום. מוליכים למחצה כמו סיליקון נופלים ביניהם: ניתן לאלץ את האלקטרונים שלהם לנוע עם זרימת אנרגיה, מה שהופך אותם לאידיאליים להפעלה וכיבוי של זרמים - תפקידו של טרנזיסטור. במהלך 50 השנים האחרונות, מלבד שלוש התנהגויות אלקטרוניות בסיסיות אלה, ראו פיזיקאים של חומר מעובה את החלקיקים הטעונים הקלים מתנהגים בדרכים אקזוטיות רבות יותר.

אחת ההפתעות הדרמטיות יותר הגיעה ב-1986, כששני חוקרי IBM, גיאורג בדנורז ואלכס מולר, זוהה זרם של אלקטרונים נע דרך גביש תחמוצת נחושת ("קופראט") ללא כל התנגדות כלשהי. מוליכות-על זו - יכולתו של חשמל לזרום ביעילות מושלמת - נראתה בעבר, אך רק מסיבות מובנות היטב בחומרים שמקוררים עד כמה מעלות מהאפס המוחלט. הפעם, בדנורץ ומולר צפו בצורה מסתורית של התופעה שנמשכה בשיא של 35 קלווין (כלומר, 35 מעלות מעל האפס המוחלט). עד מהרה גילו מדענים קופרטים אחרים שמוליכים-על מעל 100 קלווין. נולד חלום שנשאר אולי המטרה מספר אחת של פיזיקת החומר המעובה כיום: מציאת או הנדסה של חומר שיכול להוליך חשמל בעולם החם שלנו, בערך 300 קלווין, המאפשר קווי חשמל ללא הפסדים, ריחוף כלי רכב ומכשירים היפר-יעילים אחרים יפחית משמעותית את צרכי האנרגיה של האנושות.

המפתח למוליכות-על הוא לשדל אלקטרונים, שבדרך כלל דוחים זה את זה, להזדווג וליצור ישויות הידועות בשם בוזונים. בוזונים יכולים אז להתמזג ביחד לנוזל קוונטי חסר חיכוך. כוחות משיכה היוצרים בוזונים, כגון רעידות אטומיות, יכולים בדרך כלל להתגבר על דחיית האלקטרונים רק בטמפרטורות קריוגניות או לחצים גבוהים. אבל הצורך בתנאים קיצוניים אלה מנע ממוליכות-על למצוא את דרכה למכשירים יומיומיים. הגילוי של קופרטים העלה תקוות שהסריג האטומי הנכון יוכל "להדביק" אלקטרונים זה לזה בצורה כה תקיפה שהם יישארו תקועים אפילו בטמפרטורת החדר.

40 שנה אחרי הממצא של בדנורז ומולר, התיאורטיקנים עדיין לא בטוחים לגמרי איך הדבק בקופרטס עובד, ועוד פחות מכך איך להתאים את החומרים כדי לחזק אותו. לפיכך, מחקר רב בפיזיקה של החומר המעובה הוא ציד ניסוי וטעייה אחר גבישים שיכולים לשמור על צמד האלקטרונים שלהם או לרעות אלקטרונים בדרכים מופלאות אחרות. "חומר מעובה הוא ענף של הפיזיקה שמאפשר סרנדיפיות", אמר קים. כזה היה הגילוי ב-2004 של חומרים דו-ממדיים.

אנדרה גים ו קונסטנטין נובוסלוב, עובד עם גרפיט באוניברסיטת מנצ'סטר בבריטניה, גילה תוצאה מזעזעת של התקלפות החומר. גביש גרפיט מכיל אטומי פחמן המסודרים ליריעות קשורות באופן רופף של משושים. תיאורטיקנים חזו זה מכבר שללא ההשפעה המייצבת של הערימה, רעידות המושרות בחום ישברו יריעה חד-שכבתית. אבל גיים ונובוסלוב גילו שהם יכולים לקלף יריעות יציבות ודקות אטומית עם מעט יותר מסקוטש והתמדה. גרפן היה החומר השטוח הראשון באמת - מישור שבו אלקטרונים יכולים להחליק מסביב אך לא למעלה ולמטה.

הון, הפיזיקאי מקולומביה, גילה שהחומר הדק ביותר בעולם הוא איכשהו גם הכי חזק. זה היה מטרד מדהים עבור חומר שתיאורטיקנים חשבו שלא יתחברו כלל.

מה שהכי סיקרן הפיזיקאים בגרפן היה איך שטח הפחמן הפך אלקטרונים: שום דבר לא יכול להאט אותם. האלקטרונים מוכדים לעתים קרובות על ידי סריג האטומים שדרכם הם נעים, פועלים כבדים יותר ממסת ספר הלימוד שלהם (אלקטרונים בלתי תנועתיים של מבודד פועלים כאילו יש להם מסה אינסופית). הסריג השטוח של גרפן, לעומת זאת, מאפשר לאלקטרונים להסתובב במהירות של מיליון מטרים בשנייה - רק פי כמה מאות איטי ממהירות האור. באותה מהירות קבועה, מטלטלת, האלקטרונים עפו כאילו אין להם מסה כלל, וברכו לגרפן מוליכות קיצונית (אם כי לא סופר).

שדה שלם צץ סביב חומר הפלא. החוקרים גם החלו לחשוב בצורה רחבה יותר. האם פתיתים דו-ממדיים של חומרים אחרים יכולים להכיל כוחות-על משלהם? הונה היה בין אלה שהסתעפו. בשנת 2, הוא מדד כמה תכונות מכניות של הדופלגנגר של גרפיט, מוליבדן דיסולפיד, ואז העביר את הגביש לשני מומחים אופטיים במעבדת קולומביה של טוני היינץ. זה היה צעד סתמי שישנה את הקריירה של כל המעורבים.

דגימת מוליבדן דיסולפיד נחתה בידי ג'י שאן, פרופסור אורח בתחילת הקריירה שלה, וקין פאי מק, סטודנטית לתואר שני. הצמד הצעיר חקר כיצד גרפן יוצר אינטראקציה עם אור, אבל הם כבר החלו לחלום בהקיץ על חומרים אחרים. האלקטרונים המהירים של גרפן הופכים אותו למוליך פנטסטי, אבל מה שהם רצו היה מוליך למחצה דו-ממדי - חומר שאת זרימת האלקטרונים שלו הם יכולים להדליק ולכבות, ולכן יכול לשמש כטרנזיסטור.

מוליבדן דיסולפיד היה ידוע כמוליך למחצה. ושאן ומאק גילו במהרה שבדומה לגרפיט, הוא קיבל כוחות נוספים ב-2D. כשהם כיוונו לייזר על גבישים תלת מימדיים של "מולי דיסולפיד" (כפי שהם מכנים זאת בחיבה), הגבישים נשארו כהים. אבל כאשר שאן ומאק תלשו שכבות עם סקוטש, הכו אותן בלייזר ובחנו אותן במיקרוסקופ, הם ראו את היריעות הדו-ממדיות זורחות בבהירות.

מחקרים מקבוצות אחרות יאשרו מאוחר יותר שגליונות עשויים היטב מחומר קרוב משקפים כל פוטון אחרון שפוגע בהם. "זה סוג של מטריד," אמר מק לאחרונה, כשפגשתי אותו ואת שאן במשרד המשותף שלהם בקורנל. "יש לך רק יריעה אחת של אטומים, והיא יכולה לשקף 100% מהאור כמו מראה מושלמת." הם הבינו שהנכס הזה עשוי להוביל להתקנים אופטיים מרהיבים.

באופן עצמאי, פנג וואנג, פיזיקאי מאוניברסיטת קליפורניה, ברקלי, גילה את אותה תגלית. חומר דו מימדי שהיה רעיוני ביותר ומוליך למחצה לאתחול משך את תשומת לב הקהילה. שניהם קבוצות פרסמו את ממצאיהם ב-2010; העיתונים קיבלו מאז יותר מ-16,000 ציטוטים ביניהם. "כולם עם לייזרים התחילו להתעניין מאוד בחומרים דו מימדיים", אמר הון.

על ידי זיהוי מולי דיסולפיד כחומר פלא דו-ממדי שני, שתי הקבוצות הגיעו ליבשת ביבשת שלמה של חומרים דו-ממדיים. מולי דיסולפיד שייך למשפחה של חומרים הידועים כ-transition metal dichalcogenides (TMDs), שבהם אטומים מהאזור האמצעי המתכתי של הטבלה המחזורית כגון מוליבדן מתחברים לזוגות של תרכובות כימיות הידועות ככלקוגנידים, כגון גופרית. מולי דיסולפיד הוא ה-TMD היחיד המתרחש באופן טבעי, אבל יש עשרות נוספות שחוקרים יכולים להקים במעבדות - טונגסטן דיסולפיד, מוליבדן דיטלוריד וכן הלאה. רובם יוצרים יריעות קשורות בצורה חלשה, מה שהופך אותם רגישים לצד העסקי של חתיכת סרט.

אולם גל ההתרגשות הראשוני דעך במהרה, כאשר החוקרים נאבקו לגרום ל-TMD לעשות יותר מאשר לזרוח. הקבוצה של וואנג, למשל, נפלה בחזרה על גרפן לאחר שגילתה שהם לא יכולים לחבר בקלות אלקטרודות מתכת למולי דיסולפיד. "זו הייתה אבן הנגף עבור הקבוצה שלנו כבר לא מעט שנים", אמר. "גם עכשיו אנחנו לא ממש טובים ביצירת קשר." נראה היה שהיתרון העיקרי של TMDs על פני גרפן היה גם החולשה הגדולה ביותר שלהם: כדי לחקור את התכונות האלקטרוניות של חומר, חוקרים חייבים לעתים קרובות לדחוף אלקטרונים לתוכו ולמדוד את ההתנגדות של הזרם שנוצר. אבל מכיוון שמוליכים למחצה הם מוליכים גרועים, קשה להכניס או לצאת אלקטרונים.

מק ושאן הרגישו בתחילה אמביוולנטיים. "ממש לא היה ברור אם עלינו להמשיך לעבוד על גרפן או להתחיל לעבוד על החומר החדש הזה", אמר מק. "אבל מאז שמצאנו שיש לו את הנכס היפה הזה, המשכנו לעשות עוד כמה ניסויים."

תוך כדי עבודתם, שני החוקרים נעשו מוקסמים יותר ויותר על ידי המולי דיסולפיד, וזה על ידי זה. בתחילה, הקשר שלהם היה מקצועי, מוגבל בעיקר למיילים ממוקדי מחקר. "פאי שאל לעתים קרובות, 'איפה הציוד הזה? איפה שמת את זה?'" שאן אמר. אבל בסופו של דבר מערכת היחסים שלהם, שנגררה על ידי שעות ארוכות ומוזרזת על ידי הצלחה ניסיונית, הפכה לרומנטית. "פשוט התראינו לעתים קרובות מדי, ממש באותה מעבדה עובדים על אותו פרויקט", אמר מק. "הפרויקט שעבד טוב מאוד גם שימח אותנו".

כל הפיזיקה כל הזמן

תידרש שותפות בין שני פיזיקאים מסורים עם משמעת ברזל כדי להביא את ה-TMD המטרידים.

אנשי אקדמיה תמיד הגיעו בקלות לשאן. היא גדלה בשנות ה-1970 במחוז ג'ה-ג'יאנג על החוף, הייתה סטודנטית כוכבת, הצטיינה במתמטיקה, מדעים ושפה וזכתה למקום נחשק באוניברסיטת המדע והטכנולוגיה של סין בהפיי. שם, היא העפילה לתוכנית חילופי תרבות סלקטיבית בין סין לברית המועצות, והיא קפצה על ההזדמנות ללמוד רוסית ופיזיקה באוניברסיטת מוסקבה. "כשאתה נער, אתה להוט לחקור את העולם", אמרה. "לא היססתי."

מיד היא ראתה יותר מהעולם ממה שהיא התמקחה עליו. צרות של ויזה עיכבו את הגעתה לרוסיה בכמה חודשים, והיא איבדה את מקומה בתוכנית השפה. השלטונות מצאו לה מסלול אחר, וזמן קצר לאחר הנחיתה במוסקבה היא עלתה על רכבת ונסעה 5,000 קילומטרים מזרחה. שלושה ימים לאחר מכן הגיעה לעיר אירקוטסק באמצע סיביר עם תחילת החורף. "העצה שקיבלתי הייתה, 'לעולם, לעולם אל תיגע בשום דבר בלי כפפות'," שמא תתקע, אמרה. 

שאן שמרה על הכפפות שלה, למדה רוסית בסמסטר אחד, והגיעה להערכת יופיו העז של הנוף החורפי. כשהקורס הסתיים והשלג נמס, היא חזרה לבירה כדי להתחיל את התואר בפיזיקה, והגיעה למוסקבה באביב 1990, בעיצומה של התפרקות ברית המועצות.

אלו היו שנים כאוטיות. שאן ראה טנקים מתגלגלים ברחובות ליד האוניברסיטה בזמן שהקומוניסטים ניסו להחזיר לעצמם את השליטה בממשלה. בהזדמנות אחרת, מיד לאחר מבחן אחרון, פרצו מריבות. "יכולנו לשמוע יריות, ונאמר לנו לכבות את האורות במעונות", אמרה. הכל, מאוכל ועד נייר טואלט, היה קצוב באמצעות מערכת קופונים. אף על פי כן, שאן חשה השראה מהחוסן של הפרופסורים שלה, שהמשיכו במחקר שלהם למרות המהומה. "התנאים היו קשים, אבל לרבים מהמדענים הייתה גישה כזו. הם באמת אוהבים את מה שהם עושים, למרות מה שקורה", אמרה.

כשהסדר העולמי קרס, שאן התבלטה, ופרסמה מאמר אופטיקה תיאורטי שצד את עינו של היינץ בקולומביה. הוא עודד אותה להגיש מועמדות, והיא עברה לניו יורק, שם היא עזרה מדי פעם לסטודנטים בינלאומיים אחרים להתמקם במדינה זרה. היא גייסה את וואנג לעבודה במעבדה של היינץ, למשל, ושיתפה טיפים ניסיוניים. "היא לימדה אותי איך להיות סבלני", אמר, ו"איך לא להתאכזב מהלייזר".

רוב החוקרים לוקחים פוסט-דוקטורט לאחר שסיימו את הדוקטורט שלהם, אבל שאן הצטרפה ישירות לאוניברסיטת קייס ווסטרן רזרב כפרופסור חבר בשנת 2001. מספר שנים לאחר מכן, בשבתון, היא חזרה למעבדתו של היינץ בקולומביה. פעם אחת, התזמון שלה היה מקרי. היא החלה לשתף פעולה עם סטודנטית לתואר שני מקסימה ובעלת עיניים בקבוצה של היינץ, Kin Fai Mak.

מק הלך בדרך אחרת, פחות סוערת, לעיר ניו יורק. גדל בהונג קונג, הוא נאבק בבית הספר, מכיוון שפרט לפיזיקה היה הגיוני עבורו. "זה היה הדבר היחיד שאני אוהב ולמעשה היה טוב בו, אז בחרתי בפיזיקה", אמר.

המחקר שלו לתואר ראשון באוניברסיטת הונג קונג בלט, והיינץ גייס אותו להצטרף לתוכנית הפיזיקה של החומר המעובה של קולומביה המשגשגת. שם, הוא השליך את עצמו על מחקר, בילה כמעט את כל שעות הערות שלו במעבדה למעט משחק מזדמן של כדורגל פנים-מוסרי. אנדריאה יאנג, סטודנטית עמית לתואר שני (כיום עוזר פרופסור באוניברסיטת קליפורניה, סנטה ברברה), חלקה דירה עם מק ברחוב 113 המערבי. "היה לי מזל אם יכולתי לתפוס אותו ב-2 בלילה לבשל פסטה ולדבר על פיזיקה. הכל היה פיזיקה כל הזמן", אמר יאנג.

אבל הזמנים הטובים לא נמשכו. זמן קצר לאחר טיול ליער הגשם באמזונס בקולומביה עם יאנג, מק חלה. הרופאים שלו לא היו בטוחים מה לעשות עם תוצאות הבדיקות התמוהות שלו, והוא חלה יותר. צירוף מקרים מזל הציל את חייו. יאנג תיאר את המצב בפני אביו, חוקר רפואי, שזיהה מיד את הסימנים של אנמיה אפלסטית - מצב דם חריג שבמקרה היה נושא למחקר שלו. "למעשה זה ממש נדיר לחלות במחלה הזו, קודם כל," אמר מק. "ואפילו נדיר יותר לחלות במחלה שאביו של השותף שלך מומחה בה."

אביו של יאנג עזר למק להירשם לטיפולים ניסיוניים. הוא בילה חלק ניכר משנתו האחרונה בלימודי התואר בבית החולים והתקרב למוות מספר פעמים. לאורך כל המבחן, הלהט של מאק לפיזיקה הניע אותו להמשיך לעבוד. "הוא כתב PRL מכתבים ממיטת בית החולים שלו," אמר יאנג בהתייחסו ליומן מכתבי סקירה פיזית. "למרות כל זה, הוא היה אחד התלמידים הפוריים ביותר אי פעם", אמר היינץ. "זה היה משהו של נס."

טיפולים נוספים עזרו בסופו של דבר למק להתאושש מלא. יאנג, בעצמו ניסוי ידוע, יגיד מאוחר יותר על ההתערבויות שלו, "בין חברים אני קורא לזה את התרומה הגדולה ביותר שלי לפיזיקה."

אל תוך השממה הדו-ממדית

מק עבר לקורנל כחוקרת פוסט-דוקטורט ב-2012, אז שאן כבר חזר לקייס ווסטרן. הם המשיכו לפתח פרויקטים בודדים עם גרפן וחומרים אחרים, אבל הם גם המשיכו לגלות סודות נוספים של ה-TMD ביחד.

בקורנל, מק למד את אומנות מדידות הובלת אלקטרונים - הדרך העיקרית האחרת לניחוש תנועת אלקטרונים, מלבד אופטיקה. מומחיות זו הפכה אותו ואת שאן לאיום כפול בתחום שבו חוקרים מתמחים בדרך כלל בסוג זה או אחר. "בכל פעם שאני פוגש את פיי וג'י אני מתלונן, 'זה לא הוגן שאתם עושים הובלה'", אמרה קים. "מה אני אמור לעשות?"

ככל שהצמד למד יותר על TMDs, כך הם נעשו יותר מסקרנים. חוקרים מתמקדים בדרך כלל באחת משתי תכונות של אלקטרונים: המטען והספין שלהם (או תנע זוויתי פנימי). שליטה בזרימת המטען החשמלי היא הבסיס של האלקטרוניקה המודרנית. והיפוך ספין של אלקטרונים עלול להוביל למכשירי "ספינטרוניקה" שאורזים יותר מידע לחללים קטנים יותר. ב 2014, מק עזר לגלות שאלקטרונים במולי דיסולפיד דו מימדי יכולים לקבל תכונה שלישית מיוחדת: אלקטרונים אלה חייבים לנוע בכמויות ספציפיות של מומנטום, תכונה ניתנת לשליטה הידועה בשם "עמק" שחוקרים משערים שעשויה להוליד עוד תחום שלישי של טכנולוגיית "וואליטרוניקה".

באותה שנה, מאק ושאן זיהו תכונה בולטת נוספת של TMDs. אלקטרונים אינם הישויות היחידות שנעות דרך גביש; פיזיקאים גם עוקבים אחר "חורים", המשרות הפנויות שנוצרות כאשר אלקטרונים קופצים למקום אחר. חורים אלה יכולים לשוטט בחומר כמו חלקיקים אמיתיים בעלי מטען חיובי. החור החיובי מושך אלקטרון שלילי ליצירת שותפות חולפת, המכונה אקסיטון, ברגע לפני שהאלקטרון סותם את החור. שאן ומאק מדד את האטרקציה בין אלקטרונים וחורים בטונגסטן דיסלניד 2D ומצא אותו חזק פי מאות מונים מאשר במוליך למחצה 3D טיפוסי. הממצא רמז שאקסיטונים ב-TMD יכולים להיות חזקים במיוחד, ושבאופן כללי יש יותר סיכוי לאלקטרונים לעשות כל מיני דברים מוזרים.

בני הזוג הבטיחו משרות יחד באוניברסיטת מדינת פנסילבניה והחלו שם מעבדה. לבסוף משוכנעים ששווה להמר על TMDs על הקריירה שלהם, הם הפכו את החומרים למוקד הקבוצה החדשה שלהם. הם גם התחתנו.

בינתיים, הצוות של הון בקולומביה ראה את תכונותיו של גרפן קיצוניות עוד יותר כשהניחו אותו על גבי מבודד איכותי, בורון ניטריד. זו הייתה דוגמה מוקדמת לאחד ההיבטים החדשים ביותר של חומרים דו-ממדיים: יכולת הערימה שלהם.

הניחו חומר דו-ממדי אחד על גבי חומר דו-ממדי אחד, והשכבות יישבו במרחק של שבריר ננומטר זה מזה - ללא מרחק כלל מנקודת המבט של האלקטרונים שלהם. כתוצאה מכך, גיליונות מוערמים מתמזגים למעשה לחומר אחד. "זה לא רק שני חומרים ביחד," אמר וואנג. "אתה באמת יוצר חומר חדש."

בעוד שגרפן מורכב אך ורק מאטומי פחמן, המשפחה המגוונת של סריג TMD מביאה עשרות אלמנטים נוספים למשחק הערימה. לכל TMD יש יכולות פנימיות משלו. חלקם מגנטיים; התנהגות-על של אחרים. החוקרים ציפו לערבב ולהתאים אותם לחומרי אופנה עם הכוחות המשולבים שלהם.

אבל כאשר הקבוצה של הון הניחה מולי דיסולפיד על מבודד, המאפיינים של המחסנית הראו רווחים חסרי ברק בהשוואה למה שהם ראו בגרפן. בסופו של דבר הם הבינו שהם לא בדקו את איכות גבישי ה-TMD. כאשר היו להם כמה עמיתים להדביק את המולי דיסולפיד שלהם מתחת למיקרוסקופ המסוגל לפתור אטומים בודדים, הם היו המומים. חלק מהאטומים ישבו במקום הלא נכון, בעוד שאחרים נעלמו לחלוטין. לא פחות מ-1 מכל 100 אתרי סריג הייתה בעיה כלשהי, שהפריעה ליכולת הסריג לכוון אלקטרונים. הגרפן, בהשוואה, היה הדימוי של השלמות, עם פגם אחד למיליון אטומים בערך. "סוף סוף הבנו שהדברים שקנינו הם זבל מוחלט", אמר הון.

בסביבות 2016, הוא החליט להיכנס לעסק של גידול TMDs בדרגת מחקר. הוא גייס פוסט דוקטורט, דניאל רודס, עם ניסיון בגידול גבישים על ידי המסת אבקות של חומרי גלם בטמפרטורות גבוהות במיוחד ולאחר מכן קירורם בקצב קרחוני. "זה כמו לגדל סוכריות אבן מסוכר במים," הסביר הון. התהליך החדש ארך חודש, בהשוואה לכמה ימים לשיטות מסחריות. אבל הוא ייצר גבישי TMD טובים יותר פי מאות עד אלפי מונים מאלה למכירה בקטלוגים כימיים.

לפני ששאן ומאק יכלו לנצל את הגבישים הטהורים יותר ויותר של הון, הם עמדו בפני המשימה הלא זוהרת של להבין איך לעבוד עם פתיתים מיקרוסקופיים שלא אוהבים לקבל אלקטרונים. כדי לשאוב אלקטרונים (הבסיס לטכניקת ההובלה ש-Mak תפס כפוסט דוקטורט), בני הזוג היו אובססיביים לגבי אינספור פרטים: באיזה סוג מתכת להשתמש לאלקטרודה, באיזה מרחק מה-TMD למקם אותה, אפילו באילו כימיקלים. השתמש כדי לנקות את המגעים. לנסות את הדרכים האינסופיות של הקמת אלקטרודות היה איטי ומייגע - "תהליך שלוקח זמן של חידוד זה או זיקוק זה טיפין טיפין", אמר מק.

הם גם בילו שנים בפיתוח כיצד להרים ולערום את הפתיתים המיקרוסקופיים, שרוחם רק עשיריות מיליוניות המטר. עם היכולת הזו, בתוספת הגבישים של הונה והמגעים החשמליים המשופרים, הכל התאחד בשנת 2018. בני הזוג עברו לאיתקה, ניו יורק, כדי לתפוס עמדות חדשות בקורנל, ומפל של תוצאות חלוציות זלגו מהמעבדה שלהם.

פריצות דרך בקורנל

"היום, קשה לקלוט הכל מסיבה כלשהי", אמר ג'נגצ'או שיה, סטודנט לתואר שני בקבוצה של מק ושאן, כשהצללית הכהה של פתית בורון ניטריד איימה להתקלף וליפול בחזרה אל משטח הסיליקון שמתחת. היריעה בצורת מדגסקר נצמדה בנחת לגוש גרפיט הדומה לסעודיה, בדומה לנייר שעלול להיצמד למשטח המתפצפץ של בלון שפשף לאחרונה. הגרפיט, בתורו, היה דבוק לטפטת טל דביקה של פלסטיק המחוברת לשקופית זכוכית. שיה השתמשה בממשק מחשב כדי לכוון מעמד ממונע שאוחז במגלשה. כמו שחובבת ארקייד עשויה לתמרן מכונת טפרים עם ג'ויסטיק, היא הרימה בזהירות את הערימה לאוויר בקצב של חמישית מיליונית המטר לכל קליק עכבר, בוהה בריכוז בצג המחשב כדי לראות אם יש לה תפס בהצלחה את פתית הבורון ניטריד.

היה לה. עם כמה לחיצות נוספות, הערימה הדו-שכבתית השתחררה, ושיה זזה במהירות אך בכוונה כדי להפקיד את הפתיתים על חומר שלישי המוטבע באלקטרודות מתכת רחבות ידיים. בכמה לחיצות נוספות היא חיממה את פני השטח, המסה את דבק הפלסטיק של השקופית לפני שמישהו מאיתנו הצליח להתעטש מהמכשיר המיקרוסקופי.

"תמיד יש לי את הסיוט הזה שהוא פשוט נעלם", אמרה.

מההתחלה ועד הסוף, לקח לשיה יותר משעה להרכיב את החצי התחתון של מכשיר פשוט - המקבילה ל-PB&J עם פנים פתוחות. היא הראתה לי ערימה נוספת שהרכיבה לאחרונה וזינקה כמה מהמרכיבים, שכללו את ה-TMDs tungsten diselenide ו-moly ditelluride. אחד מעשרות סנדוויצ'ים מיקרוסקופיים שהיא בנתה ולמדה במהלך השנה האחרונה, הדגווד הזה של מכשיר היה עצום של 10 שכבות ולקח כמה שעות להרכיב.

הערימה הזו של חומרים דו-ממדיים, שנעשית גם במעבדות בקולומביה, במכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס, בברקלי, בהרווארד ובמוסדות נוספים, מייצגת את הגשמתו של חלום ארוך שנים של פיזיקאים של חומר מעובה. החוקרים אינם מוגבלים עוד לחומרים שנמצאים באדמה או גדלים באיטיות במעבדה. כעת הם יכולים לשחק עם המקבילה האטומית של לבני לגו, להצמיד יריעות יחדיו כדי לבנות מבנים מותאמים אישית עם תכונות רצויות. כשזה מגיע להרכבת מבני TMD, מעטים הלכו רחוק כמו קבוצת קורנל.

התגלית הגדולה הראשונה של מאק ושאן בקורנל נגעה לאקסיטונים, זוגות האלקטרונים-חורים הקשורים בחוזקה שהם ראו ב-TMD עוד ב-2014. אקציטונים מסקרנים את הפיזיקאים כי אלה "קוואזי-חלקיקים" עשויה להציע דרך עוקפת להשגת מטרה רב-שנתית של פיזיקת החומר המעובה: מוליכות-על בטמפרטורת החדר.

אקסיטונים משחקים לפי אותם חוקים פאנקיים כמו זוגות אלקטרונים-אלקטרונים; גם זוגות האלקטרונים-חורים הללו הופכים לבוזונים, מה שמאפשר להם "להתעבות" למצב קוונטי משותף המכונה עיבוי Bose-Einstein. עדר קוהרנטי זה של קוואזי-חלקיקים יכול להציג תכונות קוונטיות כגון נזילות-על, היכולת לזרום ללא התנגדות. (כאשר נוזל-על נושא זרם חשמלי, הוא מוליך-על.)

אבל בניגוד לאלקטרונים דוחים, אלקטרונים וחורים אוהבים להיצמד. חוקרים טוענים שזה עשוי לחזק את הדבק שלהם. האתגרים מול מוליכות-על מבוססת אקציטון נעוצים בשמירה על האלקטרון מלמלא את החור, ובגרום לזוגות הניטרליים החשמליים לזרום בזרם - הכל בחדר חם ככל האפשר. עד כה, מק ושאן פתרו את הבעיה הראשונה ויש להם תוכנית להתמודד עם השנייה.

ניתן לשדל ענני אטומים ליצירת עיבויים על ידי קירורם לשערה מעל האפס המוחלט באמצעות לייזרים חזקים. אבל תיאורטיקנים חשדו זה מכבר שקונדנסטים של אקסיטונים יכולים להיווצר בטמפרטורות גבוהות יותר. קבוצת קורנל הפכה את הרעיון הזה למציאות עם ה-TMD הניתנים לערום. באמצעות כריך דו-שכבתי, הם הכניסו אלקטרונים נוספים בשכבה העליונה והוציאו אלקטרונים מלמטה, והותירו חורים. האלקטרונים והחורים התחברו, ויצרו אקסיטונים בעלי חיים ארוכים מכיוון שהאלקטרונים מתקשים לקפוץ לשכבה הנגדית כדי לנטרל את בן זוגם. באוקטובר 2019, הקבוצה סימנים מדווחים של קונדנסט אקסיטון ב-100 קלווין נוחים. במערך הזה, האקסיטונים נמשכו במשך עשרות ננו-שניות, כל החיים עבור סוג זה של קוואזי-חלקיקים. בסתיו 2021, הקבוצה תיארה מנגנון משופר שבו נראה כי אקסיטונים נמשכים אלפיות שניות, אותו כינה מק "למעשה לנצח".

הצוות רודף כעת תכנית רקחו על ידי תיאורטיקנים ב-2008 ליצירת זרם אקסיטון. אלן מקדונלד, תיאורטיקן בולט של חומר מעובה באוניברסיטת טקסס, אוסטין, ותלמידו לתואר שני יונג-ג'ונג סו הציעו להזרים אקסיטונים ניטרליים על ידי הפעלת שדה חשמלי המכוון באופן שמעודד גם אלקטרונים וגם חורים לנוע באותו כיוון. כדי למשוך את זה במעבדה, קבוצת קורנל צריכה שוב להתמודד עם האויב התמידי שלהם, המגעים החשמליים. במקרה זה, הם צריכים לחבר מספר סטים של אלקטרודות לשכבות ה-TMD, חלקם כדי לייצר את האקסיטונים ואחרים כדי להזיז אותם.

שאן ומאק מאמינים שהם בדרך לזרום אקסיטונים במהירות של עד 100 קלווין בקרוב. זה חדר קריר לאדם (-173 מעלות צלזיוס או -280 מעלות פרנהייט), אבל זו קפיצה עצומה מתנאי הננוקלווין שרוב העיבוי הבוסוני זקוק להם.

"זה יהיה כשלעצמו הישג נחמד," אמר מק בחיוך ערמומי, "לחמם את הטמפרטורה פי מיליארד".

חומרי Moiré קסומים

ב-2018, בזמן שמעבדת קורנל הגבירה את ניסויי ה-TMD שלה, הפתעה נוספת של גרפן השיקה מהפכת חומרים דו-ממדיים שנייה. פבלו ג'רילו-הררו, חוקר ב-MIT ובוגר נוסף של קולומביה, הודיע ​​שפיתול שכבה אחת של גרפן ביחס לשכבה שמתחת יצרה חומר דו-ממדי חדש וקסום. הסוד היה להפיל את השכבה העליונה כך שהמשושים שלה ינחתו ב"פיתול" קל, כך שהם היו מסובבים בדיוק 2 מעלות כנגד המשושים למטה. חוסר יישור זווית זה גורם לקיזוז בין אטומים שגדל ומתכווץ תוך כדי תנועה על פני חומר, ויוצר תבנית חוזרת של "תאי-על" גדולים המכונה סריג-על של מוריה. למקדונלד ועמית היה מחושב בשנת 2011 שב"זווית הקסם" של 1.1 מעלות, מבנה הגביש הייחודי של סריג העל יאלץ את האלקטרונים של הגרפן להאט ולחוש את הדחייה של שכניהם.

כאשר אלקטרונים הופכים מודעים זה לזה, קורים דברים מוזרים. במבודדים רגילים, מוליכים ומוליכים למחצה, חושבים שהאלקטרונים מקיימים אינטראקציה רק ​​עם הסריג של האטומים; הם דוהרים מהר מדי כדי להבחין אחד בשני. אבל כשהם מואטים לזחילה, אלקטרונים יכולים לדחוק זה את זה ולקחת ביחד מבחר של מצבים קוונטיים אקזוטיים. הניסויים של ג'רילו-הררו הוכיחו שעבור לא מובן היטב מסיבות, תקשורת אלקטרונית-אלקטרון זו בגרפן מעוותת, זווית קסם, גורמת ליצירת צורה חזקה במיוחד של מוליכות-על.

סריג הגרפן מוארה גם הציג לחוקרים דרך חדשה קיצונית לשליטה באלקטרונים. בסריג העל, אלקטרונים מתעלמים מהאטומים הבודדים וחווים את תאי העל עצמם כאילו היו אטומים ענקיים. זה מקל לאכלס את תאי העל בכמות מספקת של אלקטרונים כדי ליצור מצבים קוונטיים קולקטיביים. באמצעות שדה חשמלי כדי לחייג מעלה או מטה את מספר האלקטרונים הממוצע לכל תא-על, הקבוצה של ג'רילו-הררו הצליחה לגרום למכשיר הגרפן הדו-שכבתי המעוות שלהם לשמש כמוליך-על, לפעול כמו מבודד, או הצג א רפסודה של אחרים, התנהגויות אלקטרונים זר.

פיזיקאים ברחבי העולם מיהרו להיכנס לתחום המתהווה של "טוויסטרוניקה". אבל רבים גילו שהפיתול הוא קשה. לאטומים אין סיבה ליפול בצורה מסודרת לחוסר היישור ה"קסום" של 1.1 מעלות, כך שהסדינים מתקמטים בדרכים שמשנות לחלוטין את תכונותיהם. שיה, הסטודנטית לתואר שני בקורנל, אמרה שיש לה חבורה של חברים באוניברסיטאות אחרות שעובדות עם מכשירים מעוותים. יצירת מכשיר עובד בדרך כלל לוקחת להם עשרות ניסיונות. וגם אז, כל מכשיר מתנהג אחרת, כך שכמעט בלתי אפשרי לחזור על ניסויים ספציפיים.

TMDs מציגים דרך הרבה יותר קלה ליצור סריגי מוארה. מכיוון של-TMD שונים יש סריג משושה בגדלים שונים, ערימת סריג של משושים קצת יותר גדולים על סריג קטן יותר יוצרת תבנית מוארה בדיוק כמו שחוסר יישור זווית עושה. במקרה זה, מכיוון שאין סיבוב בין השכבות, סביר יותר שהערימה תיכנס למקומה ותשאר בשקט. כששיה יוצאת ליצור מכשיר TMD moiré, היא אמרה, היא בדרך כלל מצליחה ארבע פעמים מתוך חמש.

חומרי TMD moiré מהווים מגרשי משחקים אידיאליים לחקר אינטראקציות אלקטרונים. מכיוון שהחומרים הם מוליכים למחצה, האלקטרונים שלהם נעשים כבדים כשהם עוברים דרך החומרים, בניגוד לאלקטרונים התזזיתיים בגרפן. ותאי המוריה הענקיים מאטים אותם עוד יותר: בעוד שלעתים קרובות אלקטרונים נעים בין אטומים על ידי "מנהור", התנהגות מכאנית קוונטית הדומה לטלפורטציה, מנהור מתרחש רק לעתים נדירות בסריג מואר, שכן תאי-על יושבים במרחק של בערך פי 100 מהאטומים שבתוכם. . המרחק עוזר לאלקטרונים להתיישב ונותן להם הזדמנות להכיר את שכניהם.

היריבה הידידותית של שאן ומאק, פנג וואנג, הייתה מהראשונים שזיהו את הפוטנציאל של רשתות ה- TMD moiré. חישובי גב המעטפה העלו כי חומרים אלה צריכים להוליד את אחת הדרכים הפשוטות ביותר שבהן אלקטרונים יכולים לארגן - מצב המכונה גביש ויגנר, שבו דחייה הדדית נועלת אלקטרונים רדומים במקומם. הצוות של וואנג ראה סימנים של מדינות כאלה בשנת 2020 ופורסם התמונה הראשונה של אלקטרונים שמחזיקים זה את זה במרחק זרוע טבע בשנת 2021. עד אז, השמועה על פעילויות TMD moiré של וואנג כבר התפשטה דרך קהילת הפיזיקה הדו-ממדית ההדוקה, ומפעל קורנל TMD חילק מכשירי TMD moiré משלהם. שאן ומאק גם דיווחו על עדויות לגבישי וויגנר בסריגי-על TMD בשנת 2 וגילו תוך חודשים כי אלקטרונים במכשירים שלהם יכולים להתגבש כמעט שני תריסר דפוסי קריסטל שונים של ויגנר.

במקביל, קבוצת קורנל יצרה גם חומרי מוריה של TMD לכלי חשמלי. מקדונלד ושותפי פעולה ניבא בשנת 2018 שלמכשירים אלה יש את השילוב הנכון של תכונות טכניות כדי לגרום להם לייצג בצורה מושלמת את אחד מדגמי הצעצועים החשובים ביותר בפיזיקה של החומר המעובה. מודל האברד, כפי שהוא מכונה, הוא מערכת תיאורטית המשמשת להבנת מגוון רחב של התנהגויות אלקטרונים. הוצע באופן עצמאי מאת מרטין גוצווילר, ג'ונג'ירו קנאמורי וג'ון האברד ב-1963, המודל הוא הניסיון הטוב ביותר של הפיזיקאים להפשיט את המגוון האינסופי של סריגים גבישיים עד לתכונות החיוניות ביותר שלהם. דמיין רשת של אטומים המארחים אלקטרונים. מודל האברד מניח שכל אלקטרון מרגיש שני כוחות מתחרים: הוא רוצה לנוע על ידי מנהור לאטומים שכנים, אבל הוא גם נדחה על ידי שכניו, מה שגורם לו לרצות להישאר היכן שהוא נמצא. נוצרות התנהגויות שונות בהתאם לרצון החזק ביותר. הבעיה היחידה עם מודל האברד היא שבכל מקרה מלבד המקרה הפשוט ביותר - מחרוזת 1D של אטומים - הוא בלתי ניתן לפתרון מתמטית.

לדברי מקדונלד ועמיתיו, חומרי TMD moiré יכולים לשמש כ"סימולטורים" של מודל האברד, ובכך לפתור כמה מהתעלומות העמוקות ביותר של השדה, כמו אופי הדבק הקושר אלקטרונים לזוגות מוליכים-על בקופרטים. במקום להיאבק במשוואה בלתי אפשרית, החוקרים יכלו לשחרר אלקטרונים בכריך TMD ולראות מה הם עשו. "אנחנו יכולים לרשום את המודל הזה, אבל זה מאוד קשה לענות על הרבה שאלות חשובות," אמר מקדונלד. "עכשיו אנחנו יכולים לעשות את זה רק על ידי ביצוע ניסוי. זה ממש פורץ דרך".

כדי לבנות את סימולטור דגם האברד שלהם, שאן ומאק ערמו שכבות של טונגסטן דיסלניד וטונגסטן גופרתי כדי ליצור סריג-על של מוריה, והם חיברו אלקטרודות כדי לחייג למעלה או למטה שדה חשמלי שעובר דרך כריך ה-TMD. השדה החשמלי שלט בכמה אלקטרונים ימלאו כל תא-על. מכיוון שהתאים פועלים כמו אטומים ענקיים, מעבר מאלקטרון אחד לשני אלקטרונים לכל תא על היה כמו הפיכת סריג של אטומי מימן לסריג של אטומי הליום. אצלם פרסום מודל האברד הראשוני in טבע במרץ 2020, הם דיווחו על הדמיית אטומים עם עד שני אלקטרונים; היום, הם יכולים להגיע עד שמונה. במובן מסוים, הם הבינו את המטרה העתיקה של הפיכת עופרת לזהב. "זה כמו לכוונן כימיה," אמר מק, "לעבור על הטבלה המחזורית." באופן עקרוני, הם יכולים אפילו להעלות באוב רשת של אטומים פיקטיביים עם, נניח, 1.38 אלקטרונים כל אחד.

לאחר מכן, הקבוצה הביטה אל לבבות האטומים המלאכותיים. עם יותר אלקטרודות, הם יכולים לשלוט ב"פוטנציאל" של תאי העל על ידי ביצוע שינויים הדומים להוספת פרוטונים חיוביים למרכזי האטומים הסינתטיים הענקיים. ככל שלגרעין יש יותר מטען, כך קשה יותר לאלקטרונים להתרחק, כך שהשדה החשמלי הזה מאפשר להם להעלות ולהוריד את נטיית הדילוג.

השליטה של ​​מאק ושאן באטומים הענקיים - ולכן מודל האברד - הושלמה. מערכת ה-TMD moiré מאפשרת להם לזמן רשת של אטומים מחורצים, אפילו כאלה שלא קיימים בטבע, ולהפוך אותם בצורה חלקה כרצונם. זה כוח שגם בעיני חוקרים אחרים בתחום, גובל בקסם. "אם הייתי מפרט את המאמץ המרגש והמרשים ביותר שלהם, זה האחד", אמרה קים.

קבוצת קורנל השתמשה במהירות באטומים המעצבים שלה כדי ליישב ויכוח בן 70 שנה. השאלה הייתה: מה אם אתה יכול לקחת מבודד ולשנות את האטומים שלו כדי להפוך אותו למתכת מוליכה? האם המעבר יתרחש בהדרגה או בפתאומיות?

עם האלכימיה המוארה שלהם, שאן ומאק ביצעו את הניסוי המחשבתי במעבדה שלהם. תחילה הם דימו אטומים כבדים, שלכדו אלקטרונים כך שרשת העל TMD פעלה כמו מבודד. אחר כך הם כיווץ את האטומים, החלישו את המלכודת עד שהאלקטרונים הפכו להיות מסוגלים לקפוץ לחופש, ונותנים לסריג העל להפוך למתכת מוליכה. על ידי התבוננות בהתנגדות חשמלית יורדת בהדרגה כאשר סריג העל פעל יותר ויותר כמו מתכת, הם הראו שהמעבר אינו פתאומי. ממצא זה, אשר הם הודיעו in טבע בשנה שעברה, פותחת את האפשרות שהאלקטרונים של סריג העל יוכלו להשיג סוג נזילות מבוקש המכונה נוזל ספין קוונטי. "זו אולי הבעיה הכי מעניינת שאפשר להתמודד איתה", אמר מק.

כמעט באותו זמן, בני הזוג התמזלגו עם מה שכמה פיזיקאים רואים בתגלית המשמעותית ביותר שלהם עד כה. "זו הייתה למעשה תאונה מוחלטת", אמר מק. "אף אחד לא ציפה לזה."

כשהם התחילו את מחקר הסימולטור של האברד שלהם, החוקרים השתמשו בכריכי TMD שבהם המשושים בשתי השכבות מיושרים, עם מתכות מעבר על גבי מתכות מעבר וכלקוגנידים על גבי כלקוגנידים. (אז הם גילו את המעבר ההדרגתי של מבודד למתכת.) ואז, למרבה הפלא, הם חזרו במקרה על הניסוי עם מכשירים שבהם השכבה העליונה נערמה לאחור.

כמו קודם, ההתנגדות החלה לרדת כשהאלקטרונים החלו לקפוץ. אבל אז הוא צלל בפתאומיות, ירד כל כך נמוך עד שהחוקרים תהו אם המוריה התחילה להתנהל. חקירה נוספת, עם זאת, הם מדד דפוס נדיר של התנגדות המכונה אפקט הול הקוונטי החריג - הוכחה לכך שמשהו עוד יותר מוזר קורה. האפקט הצביע על כך שמבנה הגביש של המכשיר משכנע אלקטרונים לאורך קצה החומר לפעול בצורה שונה מאלו שבמרכז. באמצע המכשיר נלכדו אלקטרונים במצב מבודד. אבל סביב ההיקף, הם זרמו בכיוון אחד - מה שמסביר את ההתנגדות הסופר-נמוכה. במקרה, החוקרים יצרו סוג חריג ושביר ביותר של חומר המכונה מבודד צ'רן.

אפקט ההיכל האנומלי הקוונטי, נצפה לראשונה בשנת 2013, בדרך כלל מתפרק אם הטמפרטורה עולה מעל כמה מאיות קלווין. בשנת 2019, הקבוצה של יאנג בסנטה ברברה ראתה את זה כריך גרפן מעוות חד פעמי בסביבות 5 קלווין. כעת שאן ומאק השיגו את האפקט כמעט באותה טמפרטורה, אבל במכשיר TMD ללא טוויסט שכל אחד יכול ליצור מחדש. "הטמפרטורה שלנו הייתה גבוהה יותר, אבל אני אקח את הטמפרטורה שלהם בכל יום כי הם יכולים לעשות את זה 10 פעמים ברציפות", אמר יאנג. זה אומר שאתה יכול להבין את זה "ולהשתמש בזה כדי לעשות משהו בפועל."

מק ושאן מאמינים שעם קצת התעסקות, הם יכולים להשתמש בחומרי TMD moiré כדי לבנות מבודדי צ'רן ששורדים עד 50 או 100 קלווין. אם הם יצליחו, העבודה עלולה להוביל לדרך נוספת להזרים זרם ללא התנגדות - לפחות עבור "ננו-חוטים" זעירים, שאותם הם עשויים אפילו להיות מסוגלים להפעיל ולכבות במקומות ספציפיים בתוך מכשיר.

חקר בפלטלנד

גם כאשר תוצאות ציון הדרך נערמות, בני הזוג לא מראים סימנים של האטה. ביום שבו ביקרתי, מק הסתכל על תלמידים מתעסקים במקרר דילול מתנשא שיאפשר להם לצנן את המכשירים שלהם לטמפרטורות קרות פי אלף ממה שהם עבדו איתו עד כה. יש כל כך הרבה פיזיקה לגלות בתנאים "חמים" יותר, עד שלקבוצה לא הייתה הזדמנות לחפש ביסודיות את התחום הקריוגני העמוק יותר אחר סימנים של מוליכות-על. אם מקרר העל מאפשר ל-TMDs להתנהל, זה יענה על שאלה נוספת, ומראה זאת צורה של מגנטיות הטבועה ב-cuprates (אך נעדר מ-TMDs) אינו מרכיב חיוני של הדבק קושר אלקטרונים. "זה כמו להרוג את אחד המרכיבים החשובים שתיאורטיקנים באמת רצו להרוג במשך זמן רב", אמר מק.

הוא ושאן והקבוצה שלהם אפילו לא התחילו להתנסות עם כמה מה-TMD היותר פאנקיים. לאחר שהשקיעו שנים בהמצאת הציוד הדרוש לנוע ביבשת החומרים הדו-ממדיים, הם סוף סוף מתכוננים לצאת אל מעבר לראש החוף המולי דיסולפיד שעליו נחתו ב-2.

שני החוקרים מייחסים את הצלחתם לתרבות של שיתוף פעולה שספגו בקולומביה. שיתוף הפעולה הראשוני עם Hone שהכיר להם את המולי דיסולפיד, הם אומרים, היה רק ​​אחת מההזדמנויות הרבות שהם נהנו מכיוון שהם היו חופשיים לעקוב אחר סקרנותם. "לא היינו צריכים לדון" על התוכניות שלהם עם היינץ, ראש המעבדה שלהם, אמר שאן. "דיברנו עם אנשים מקבוצות אחרות. עשינו את הניסויים. אפילו סיכמנו דברים".

היום הם מטפחים סביבה נינוחה דומה בקורנל, שם הם מפקחים על כמה תריסר פוסט-דוקטורטים, חוקרים וסטודנטים מבקרים, שכולם חופשיים במידה רבה לעשות את שלהם. "הסטודנטים חכמים מאוד ויש להם רעיונות טובים", אמר מק. "לפעמים אתה לא רוצה להתערב."

נישואיהם גם הופכים את המעבדה שלהם לייחודית. השניים למדו להישען על החוזקות האישיות שלהם. מלבד שפע של יצירתיות כנסיינית, לשאן יש משמעת זהירה שהופכת אותה למנהלת טובה; כששלושתנו דיברנו, היא דחפה לעתים קרובות את "פרופסור פיי" בחזרה למסלול כשההתלהבות שלו מהפיסיקה דחפה אותו עמוק מדי לעניינים טכניים. מק, מצדו, נהנה לעמול לצד החוקרים בתחילת הקריירה, בתוך המעבדה ומחוצה לה. לאחרונה הוא התחיל לטפס על צוקים עם הקבוצה. "נראה שהמעבדה שלהם היא המשפחה שלהם", אמר יאנג. שאן ומאק אמרו לי שהם משיגים יותר ביחד ממה שהם יכולים לבד. "אחד ועוד אחד זה יותר משניים," אמר מק.

המכשירים שהם בונים עשויים גם לערום כך שיהיו יותר מסכום החלקים שלהם. כאשר חוקרים מצטרפים לגליונות TMD יחדיו כדי ליצור אקסיטונים וסריגי מוארה, הם משערים כיצד הדרכים החדשות של ביות אלקטרונים עשויות להטעין את הטכנולוגיה. גם אם מוליכות-על המוכנה לכיס תישאר חמקמקה, עיבוי של Bose-Instein יכול להוביל לחיישנים קוונטיים רגישים במיוחד, ושליטה טובה יותר במבודדים דמויי צ'רן יכולה לאפשר מחשבים קוונטיים רבי עוצמה. ואלה רק הרעיונות הברורים. שיפורים מצטברים במדעי החומרים מסתכמים לעתים קרובות ליישומים רדיקליים שמעטים ראו באים. החוקרים שפיתחו את הטרנזיסטור, למשל, היו נאבקים לחזות סמארטפונים המופעלים על ידי מיליארדי מתגים מיקרוסקופיים דחופים בשבב בגודל של ציפורן. והמדענים שהשתדלו לעצב סיבי זכוכית שיוכלו לשאת אור על ספסל המעבדה שלהם, לא יכלו לחזות שסיבים אופטיים מתחת לים באורך של 10,000 קילומטרים יקשרו מתישהו יבשות. חומרים דו מימדיים עשויים להתפתח בכיוונים בלתי צפויים דומים. "פלטפורמת חומרים חדשה באמת מייצרת יישומים משלה, בניגוד לעקירת חומרים קיימים", אמר היינץ.

בזמן שהסיעו אותי לתחנת האוטובוס של איתקה, שאן ומאק סיפרו לי על חופשה אחרונה (ונדירה) שהם לקחו לבאנף, קנדה, שם הם שוב הפגינו את הכישרון שלהם להיתקל בהפתעות באמצעות שילוב של מאמץ ומזל. הם בילו ימים בניסיון - לשווא - לזהות דוב. ואז, בתום הטיול, בדרכם לשדה התעופה, הם עצרו כדי למתוח את רגליהם בשמורה בוטנית ומצאו את עצמם פנים אל פנים עם דוב שחור.

באופן דומה, עם פיזיקת החומר המעובה, הגישה שלהם היא לשוטט יחד בנוף חדש ולראות מה מופיע. "אין לנו הרבה הדרכה תיאורטית, אבל אנחנו פשוט משתטים ומשחקים בניסויים", אמר מק. "זה יכול להיכשל, אבל לפעמים אתה יכול להיתקל במשהו מאוד לא צפוי."