モリブデナイトは、訓練された目でもグラファイトとほとんど同じに見えます - 光沢のある銀色の結晶です. それも同様に機能し、フレークを脱落させて、鉛筆の塗りつぶしを良好にします. しかし、電子にとっては、原子の 244 つのグリッドが異なる世界を形成します。 この区別は、43 年前に初めて科学的記録に記録されました。 酸素の発見で有名なスウェーデンの化学者であるカール シェーレは、各鉱物をさまざまな酸に浸し、渦巻く不気味なガスの雲を見ました。 重金属中毒の疑いで 1778 歳で亡くなった Scheele は、最終的に命をかけてこのアプローチの代償を払い、モリブデナイトは新しい物質であると結論付けました。 XNUMX 年にスウェーデン王立科学アカデミーに宛てた手紙の中で、彼は次のように書いています。 この遷移金属は未知のようです。」
モリブデナイトは、粉状の破片にフレーク状になる傾向があるため、20 世紀に人気の潤滑剤になりました。 スキーが雪の中をより遠くまで滑るのを助け、ベトナムのライフル銃身からの弾丸の出口をスムーズにしました。
今日、同じ薄片性が物理学の革命を促進しています。
ブレークスルーは、グラファイトとスコッチ テープから始まりました。 研究者は 2004 年に偶然にも、テープを使用して原子 2 個分の厚さのグラファイトのフレークを剥がすことができることを発見しました。 それぞれが炭素原子の平らな配列であるこれらの結晶シートは、それらが由来する三次元結晶のものとは根本的に異なる驚くべき特性を持っていました. グラフェン (発見者がそう呼んでいた) は、まったく新しいカテゴリーの物質、つまり XNUMXD 素材でした。 その発見は、物質の多くの形態と挙動を理解しようとする物理学の分野である凝縮物質物理学を変革しました。 ほぼ半分 すべての物理学者のうち、物性物理学者です。 それは、コンピューター チップ、レーザー、LED 電球、MRI 装置、ソーラー パネル、およびあらゆる種類の現代技術の驚異をもたらしたサブフィールドです。 グラフェンの発見後、何千人もの凝縮系物理学者がこの新素材の研究を開始し、それが将来の技術の土台になることを期待しました。
グラフェンの発見者は、2010 年にノーベル物理学賞を受賞しました。同年、コロンビア大学の XNUMX 人の若い物理学者が、 ジェシャン および キン ファイ マック、モリブデナイトのフレークがグラフェンよりもさらに魔法のようである可能性があるという兆候を見ました。 あまり知られていないこの鉱物は、研究を困難にする特性を持っています — 多くの研究室にとって難しすぎる — しかし、シャンとマックはその鉱物に魅了されました。 粘り強いデュオは、2D モリブデナイト (ラボで成長させたバージョンの結晶は二硫化モリブデンと呼ばれます) と、密接に関連する 2D 結晶のファミリーの論争に XNUMX 年近くを費やしました。
今、彼らの努力は報われています。 現在結婚しており、コーネル大学で共同研究グループを運営しているシャンとマックは、二硫化モリブデンとその親戚の 2D 結晶が非常に多様なエキゾチックな量子現象を引き起こす可能性があることを示しました。 「それはクレイジーな遊び場です」と言いました ジェームズ・ホーン、コーネル研究所に高品質の結晶を供給するコロンビアの研究者。 「現代の凝縮物質物理学のすべてを XNUMX つの材料系で行うことができます。」
Shan と Mak のグループは、これらの平らな結晶で前例のない方法で振る舞う電子を捉えました。 彼らは、粒子が融合して量子流体になり、凍結してさまざまな氷のような構造になるように誘導しました。 彼らは巨大な人工原子のグリッドを組み立てることを学び、現在では物質の基本理論のテストベッドとして機能しています。 2018 年にコーネル研究所を開設して以来、マスター電子調教師は、目を見張るような XNUMX つの論文を発表しました。 自然、科学で最も権威のあるジャーナル、およびその他の多数の論文。 理論家たちは、この夫婦が電子の群れができることの理解を広げていると言っています。
彼らの研究は「多くの面で非常に印象的です」と述べました。 フィリップ・キム、ハーバード大学の著名な凝縮物質物理学者。 「それは、私が言うには、センセーショナルです。」
2D マテリアルの台頭
材料の属性は、通常、その電子が行っていることを反映しています。 たとえば、金属などの導体では、電子が原子間を容易に移動し、電気を運びます。 木材やガラスのような絶縁体では、電子はそのままです。 シリコンのような半導体はその中間に位置します。それらの電子は、エネルギーの流入によって強制的に移動できるため、トランジスタの仕事である電流のオンとオフを切り替えるのに理想的です。 過去 50 年間、これら XNUMX つの基本的な電子の振る舞いに加えて、凝縮物質の物理学者は軽量の荷電粒子がより多くの風変わりな振る舞いをするのを見てきました。
より劇的な驚きの 1986 つは、XNUMX 年に XNUMX 人の IBM 研究者、Georg Bednorz と Alex Müller が、 検出された 酸化銅（「銅酸塩」）結晶を抵抗なしで移動する電子の流れ。 この超伝導 - 電気が完全な効率で流れる能力 - は以前に見られましたが、絶対零度の数度以内に冷却された材料で十分に理解された理由のためだけでした. 今回、Bednorz と Müller は、記録破りの 35 ケルビン (つまり、絶対零度より 35 度高い温度) で持続する不思議な形の現象を観察しました。 科学者たちはすぐに、100 ケルビン以上で超伝導する他の銅酸塩を発見しました。 今日の物性物理学のおそらく最大の目標であり続けている夢が生まれました。それは、約 300 ケルビンの高温の世界で電気を超伝導できる物質を発見または設計することで、損失のない送電線を実現し、車両やその他の超効率的なデバイスを浮上させることです。人類のエネルギー需要を大幅に削減します。
超伝導の鍵は、通常は互いに反発する電子を誘導して、ボソンとして知られる実体をペアにして形成することです。 ボソンは集合的に溶けて摩擦のない量子流体になる。 原子振動などのボソンを生成する引力は、通常、極低温または極低温でのみ電子の反発力を克服できます。 高圧. しかし、これらの極端な条件が必要なため、超伝導が日常のデバイスに導入されることはありませんでした。 銅酸塩の発見により、適切な原子格子が電子をしっかりと「接着」して、室温でもくっついたままになるのではないかという期待が高まりました。
Bednorz と Müller の発見から 40 年経った今でも、理論家たちは銅酸化物の接着剤がどのように機能するのか、ましてや材料を微調整して強化する方法を完全には理解していません。 このように、凝縮物質物理学の多くの研究は、電子対を維持したり、他の驚くべき方法で電子を導くことができる結晶を探すための試行錯誤です。 「凝縮物質は、セレンディピティを可能にする物理学の一分野です」とキムは言いました。 2004 年の 2D 物質の発見はそのようなものでした。
アンドレ・ガイム および コンスタンチン・ノヴォセロフ、英国のマンチェスター大学でグラファイトを研究し、 発見 材料のフレーク状の衝撃的な結果。 グラファイト結晶には、緩やかに結合した六角形のシートに配置された炭素原子が含まれています。 理論家は、スタックの安定化の影響がなければ、熱による振動が XNUMX 層のシートを破壊するだろうと長い間予測していました。 しかし、Geim と Novoselov は、スコッチ テープと粘り強さで、安定した原子レベルの薄いシートを剥がすことができることを発見しました。 グラフェンは、最初の真に平らな素材でした。電子はその上を滑ることはできますが、上下に滑ることはできません。
コロンビアの物理学者であるホーンは、世界で最も薄い物質が何らかの形で存在することを発見しました。 も最強. 理論家がまったくくっつかないと考えていた素材にとって、これは驚くべき混乱でした。
グラフェンに関して物理学者が最も興味をそそられたのは、炭素平地がどのように電子を変換したかということでした。 電子はしばしば、それらが移動する原子の格子によってつまずき、教科書の質量よりも重い振る舞いをします (絶縁体の動かない電子は、あたかも無限の質量を持っているかのように振る舞います)。 しかし、グラフェンの平坦な格子は、電子を毎秒 XNUMX 万メートルの速さで飛び回らせます。これは、光速の数百分の XNUMX にすぎません。 その一定の猛烈な速度で、電子はあたかも質量がまったくないかのように飛び、グラフェンに極端な（超ではありませんが）導電性を与えました.
ワンダーマテリアルの周りにフィールド全体が生まれました。 研究者はまた、より広く考え始めました。 他の物質の 2D フレークは、独自の超能力を秘めているでしょうか? ホーンは分岐した人々の中にいました。 2009 年、彼はグラファイトのドッペルゲンガーである二硫化モリブデンの機械的特性を測定し、その結晶をトニー ハインツのコロンビア研究所の XNUMX 人の光学専門家に渡しました。 それは、関係者全員のキャリアを変えるようなさりげない動きでした。
二硫化モリブデンのサンプルは、キャリア初期の客員教授である Jie Shan と大学院生の Kin Fai Mak の手に渡った。 若い二人組は、グラフェンが光とどのように相互作用するかを研究していましたが、すでに他の材料について空想にふけっていました。 グラフェンの素早い電子はそれを素晴らしい伝導体にしますが、彼らが望んでいたのは 2D 半導体 — 電子の流れをオン/オフすることができ、したがってトランジスタとして機能できる材料でした.
二硫化モリブデンは、半導体として知られていました。 シャンとマックはすぐに、それがグラファイトのように 2D で追加の力を持っていることを発見しました。 彼らが「二硫化モリブデン」の3D結晶にレーザーを向けたとき（愛情を込めて呼んでいるように）、結晶は暗いままでした. しかし、Shan と Mak がスコッチ テープで層をはぎ取り、レーザーで叩き、顕微鏡で調べたところ、2D シートが明るく輝いていることがわかりました。
他のグループの研究は後に、密接に関連する材料のよくできたシートが、それらに当たる最後のすべての光子を反映することを確認します. 最近、コーネル大学の共有オフィスで彼とシャンに会ったとき、「それはちょっと気が遠くなるようなものです」とマックは言いました。 「原子のシートが 100 枚あるだけで、完全な鏡のように光を XNUMX% 反射できます。」 彼らは、この特性が素晴らしい光学デバイスにつながる可能性があることに気付きました。
独立して、 風王カリフォルニア大学バークレー校の物理学者は、同じ発見をしました。 反射率の高い 2D マテリアルと起動する半導体がコミュニティの注目を集めました。 両方 グループヘッド 2010 年に調査結果を発表しました。 それ以来、論文はそれらの間で16,000以上の引用を受けています。 「レーザーを持っている人は皆、2D 素材に非常に興味を持ち始めました」と Hone 氏は言います。
二硫化モリブデンを 2 番目の 2D 不思議物質として特定することで、XNUMX つのグループは XNUMXD 物質の大陸全体に上陸しました。 二硫化モリブデンは、遷移金属ジカルコゲナイド (TMD) として知られる物質のファミリーに属し、モリブデンなどの周期表の金属中間領域の原子が、硫黄などのカルコゲナイドとして知られる化学化合物のペアと結合します。 二硫化モリブデンは天然に存在する唯一のTMDですが、 さらに数十 二硫化タングステン、二テルル化モリブデンなどです。 ほとんどの場合、結合が弱いシートを形成するため、テープのビジネス面の影響を受けやすくなります。
しかし、最初の興奮の波はすぐに収まり、研究者は TMD に光り輝く以上の機能を持たせようと奮闘しました。 Wang のグループは、二硫化モリブデンに金属電極を簡単に取り付けることができないことを発見した後、グラフェンに頼りませんでした。 「それは、かなりの数年間、私たちのグループにとってつまずきでした」と彼は言いました。 「今でも私たちは連絡を取るのが苦手です。」 グラフェンに対する TMD の主な利点は、最大の弱点でもあるように思われました。材料の電子特性を研究するために、研究者はしばしば電子を材料に押し込み、結果として生じる電流の抵抗を測定しなければなりません。 しかし、半導体は伝導性が低いため、電子を出し入れするのは困難です。
マックとシャンは当初、相反する感情を抱いていました。 「グラフェンの研究を続けるべきか、それともこの新しい材料の研究を開始すべきかは、本当にはっきりしていませんでした」と、Mak 氏は言います。 「しかし、この素晴らしい特性があることがわかったので、さらにいくつかの実験を続けました。」
研究を重ねるうちに、XNUMX 人の研究者は二硫化モリブデンに魅了され、お互いに魅了されていきました。 当初、彼らの連絡先は専門的なもので、主に研究に焦点を当てた電子メールに限定されていました。 「ファイはよく『あの機材はどこにあるの？ どこに置いたの？」とシャンは言った。 しかし、最終的に彼らの関係は、長時間にわたって培養され、実験的な成功によって触媒され、ロマンチックになりました. 「文字通り、同じ研究室で同じプロジェクトに取り組んでいたので、あまりにも頻繁にお互いに会いました」とマックは言いました。 「このプロジェクトは非常にうまく機能し、私たちも幸せになりました。」
常にすべての物理学
厄介なTMDを解決するには、鉄の規律を持つXNUMX人の献身的な物理学者間のパートナーシップが必要です.
学者は常にシャンに簡単にやって来ました。 1970 年代に海岸沿いの浙江省で育った彼女は、数学、科学、語学に秀でた優秀な学生であり、合肥にある中国科学技術大学で誰もが欲しがる地位を獲得しました。 そこで、彼女は中国とソビエト連邦の間の選択的な文化交流プログラムの資格を得て、モスクワ州立大学でロシア語と物理学を学ぶチャンスに飛びつきました。 「あなたがXNUMX代のとき、あなたは世界を探検することに熱心です」と彼女は言いました. 「私は躊躇しませんでした。」
すぐに、彼女は思っていたよりも多くの世界を見ました。 ビザの問題でロシアへの到着が数か月遅れ、語学プログラムの席を失いました。 当局は彼女に別のコースを見つけ、モスクワに着陸した直後に列車に乗り込み、東へ5,000キロ移動しました。 XNUMX日後、彼女は冬の始まりにシベリアの真ん中にあるイルクーツクの街に到着しました. 「私が得たアドバイスは、『絶対に手袋なしで何にも触らないでください』でした」と彼女は言いました。
シャンは手袋をはめたまま、一学期だけロシア語を学び、冬の風景の美しさに感謝するようになりました。 コースが終わり、雪が溶けたとき、彼女は物理学の学位を取得するために首都に戻り、ソ連崩壊のさなかの 1990 年の春にモスクワに到着しました。
それらは混沌とした年でした。 シャンは、共産主義者が政府の支配権を取り戻そうとする中、大学近くの通りを戦車が転がっているのを見た。 別の機会に、期末試験の直後に喧嘩が勃発しました。 「銃声が聞こえ、寮の電気を消すように言われました」と彼女は言いました。 食品からトイレットペーパーまで、すべてがクーポン制で配給されました。 それにもかかわらず、シャンは、混乱にもかかわらず研究を続けた彼女の教授の回復力に触発されたと感じました。 「条件は厳しいものでしたが、科学者の多くはこのような態度をとっていました。 何が起こっていようとも、彼らは本当に自分のしていることを愛しています」と彼女は言いました.
世界秩序が崩壊したとき、シャンは、コロンビアでハインツの目を引いた光学理論の論文を発表し、頭角を現した。 彼は彼女に応募するように勧め、彼女はニューヨークに引っ越し、そこで他の留学生が外国に足を踏み入れるのを時折手伝いました。 たとえば、彼女はハインツの研究室で働くために王を募集し、実験のヒントを共有しました. 「彼女は私に辛抱する方法を教えてくれました」と彼は言いました。
ほとんどの研究者は、博士号を取得した後、ポスドクの地位に就きますが、シャンは 2001 年に准教授としてケース ウェスタン リザーブ大学に直接入社しました。 一度だけ、彼女のタイミングは偶然でした. 彼女は、ハインツのグループの魅力的で明るい目の大学院生であるキン ファイ マックと共同作業を始めました。
マックは、ニューヨーク市への別の、それほど騒がしくない道をたどっていました。 香港で育った彼は、学校で苦労しました。物理学以外はほとんど意味がありませんでした。 「私が好きで実際に得意だったのは物理学だけだったので、物理学を選びました」と彼は言いました。
香港大学での彼の学部生の研究は際立っており、ハインツは彼をコロンビア大学の活況を呈している凝縮物質物理学プログラムに参加するように勧誘しました。 そこで彼は研究に没頭し、ときどき行われる学内サッカーの試合を除いて、起きている時間のほとんどを研究室で過ごしました。 仲間の大学院生であるアンドレア・ヤング (現在はカリフォルニア大学サンタバーバラ校の助教授) は、西 113 番街にあるアパートをマックと共有していました。 「朝の 2 時に彼を捕まえて、パスタを作って物理学について話すことができたのはラッキーでした。 それは常にすべて物理学でした」とヤングは言いました。
しかし、良い時期は続きませんでした。 ヤングと一緒にコロンビアのアマゾンの熱帯雨林を訪れた直後、マックは病気になりました。 彼の医者は彼の不可解な検査結果をどう判断すべきか確信が持てず、彼の病気は悪化した. 幸運な偶然が彼の命を救った。 ヤングは、医学研究者である父親に状況を説明しました。父親は、再生不良性貧血の兆候をすぐに認識しました。これは、たまたま彼自身の研究の対象となった異常な血液の状態です. 「まず第一に、この病気にかかることは実際には非常にまれです」とマックは言いました。 「そして、ルームメイトの父親が専門とする病気にかかることはさらにまれです。」
Young さんの父親は、Mak さんが実験的治療に参加するのを手伝いました。 彼は大学院の最終学年のほとんどを病院で過ごし、何度か死にかけました。 試練の間中、マクの物理学への熱意が彼を仕事に駆り立てました。 「彼は書いていた PRL 彼の病院のベッドからの手紙」とヤングは日記を参照して言った Physical Review Lettersに. 「こうした状況にもかかわらず、彼はこれまでで最も生産的な学生の XNUMX 人でした」と Heinz 氏は言います。 「それは奇跡のようなものでした。」
さらなる治療により、最終的にマックは完全に回復しました。 自身も有名な実験家であるヤングは、後に彼の介入について「友人の間では、物理学への私の最大の貢献と呼んでいます。
二次元の荒野へ
マックは 2012 年にポスドク研究員としてコーネルに移りましたが、その頃にはシャンはすでにケース ウエスタンに戻っていました。 彼らはグラフェンやその他の材料を使って個々のプロジェクトを進めましたが、TMD のさらなる秘密を一緒に解き明かし続けました。
コーネル大学で、Mak は電子輸送測定の技術を学びました — 光学に加えて、電子の動きを占うもう XNUMX つの主要な方法です。 この専門知識により、彼とシャンは、通常、研究者がいずれかのタイプを専門とする分野で二重の脅威になりました。 「ファイとジエに会うたびに、『あなたたちが輸送するのは不公平だ』と文句を言います」とキムは言いました。 "私はどうしたらいいですか？"
デュオがTMDについて学べば学ぶほど、彼らはより興味をそそられました. 研究者は通常、電子の 2014 つの特性のうちの XNUMX つ、つまり電荷とスピン (または固有の角運動量) に注目します。 電荷の流れを制御することは、現代のエレクトロニクスの基礎です。 また、電子のスピンを反転させることで、より多くの情報をより小さなスペースに詰め込む「スピントロニクス」デバイスにつながる可能性があります。 XNUMX年に、 マックが発見を助けた 2D二硫化モリブデンの電子は特別な第XNUMXの特性を獲得できる：これらの電子は特定量の運動量で動く必要があり、研究者は「バレートロニクス」技術の第XNUMXの分野を生み出すかもしれないと推測している「谷」として知られている制御可能な属性である.
同年、Mak と Shan は TMD のもう XNUMX つの顕著な特徴を特定しました。 結晶内を移動するのは電子だけではありません。 物理学者はまた、電子が別の場所に飛び移ったときにできる空孔である「ホール」も追跡しています。 これらの穴は、実際の正に帯電した粒子のように物質を移動できます。 正孔は、電子が正孔を塞ぐ前の瞬間に、負の電子を引き付けて、励起子として知られる一時的なパートナーシップを形成します。 シャンとマック 魅力を測った 2D 二セレン化タングステンの電子と正孔の間で、通常の 3D 半導体よりも数百倍強いことがわかりました。 この発見は、TMD の励起子が特に堅牢である可能性があり、一般的に電子はあらゆる種類の奇妙なことを行う可能性が高いことを示唆しています。
夫婦はペンシルバニア州立大学で一緒に職を確保し、そこで研究室を始めました。 最終的に、TMD には自分のキャリアを賭ける価値があると確信した彼らは、その素材を新しいグループの焦点にしました。 彼らも結婚しました。
一方、Columbia の Hone のチームは、高品質の絶縁体である窒化ホウ素の上にグラフェンを配置すると、グラフェンの特性がさらに極端になることを確認しました。 これは、2D マテリアルの最も斬新な側面の XNUMX つであるスタック可能性の初期の例でした。
2 つの XNUMXD 材料を別の材料の上に置くと、層は数分の XNUMX ナノメートルの間隔で配置されます。電子の観点からはまったく距離がありません。 その結果、積み重ねられたシートは効果的に XNUMX つの物質に融合します。 「XNUMX つの材料を一緒にするだけではありません」と Wang 氏は言います。 「あなたは本当に新しい素材を作成します。」
グラフェンは炭素原子だけで構成されているのに対し、TMD 格子の多様なファミリは、スタッキング ゲームに数十の追加要素をもたらします。 各TMDには固有の能力があります。 いくつかは磁気的です。 他の超伝導。 研究者たちは、それらを組み合わせてファッション素材に組み合わせて組み合わせることを楽しみにしていました.
しかし、Hone のグループが二硫化モリブデンを絶縁体に配置したとき、スタックの特性は、グラフェンで見られたものと比較して、精彩を欠いた改善を示しました。 最終的に、彼らは TMD 結晶の品質をチェックしていなかったことに気付きました。 何人かの同僚に、個々の原子を分解できる顕微鏡の下で二硫化モリブデンを突き刺してもらったとき、彼らは唖然としました。 一部の原子は間違った場所に留まり、他の原子は完全に行方不明になりました。 格子サイトの 1 分の 100 に何らかの問題があり、格子が電子を誘導する能力を妨げていました。 対照的に、グラフェンは完璧のイメージであり、約 XNUMX 万個の原子に XNUMX 個の欠陥がありました。 「これまで買ってきたものがまったくのゴミだったことに、ようやく気付きました」とホーン氏は語った。
2016 年頃、彼は研究グレードの TMD を成長させるビジネスに参入することを決めました。 彼はポスドクを募集し、 ダニエルローズ原料の粉末を超高温で溶かし、氷のように冷やして結晶を成長させた経験を持つ。 「水に砂糖を加えて氷砂糖を作るようなものです」とホーンは説明した。 商用の方法では数日かかるのに対し、新しいプロセスには XNUMX か月かかりました。 しかし、化学カタログで販売されているものよりも数百倍から数千倍優れた TMD 結晶が生成されました。
Shan と Mak は、Hone のますます手付かずの結晶を利用する前に、電子を受け入れたくない微細なフレークをどのように扱うかを考え出すという地味な仕事に直面しました。 電子を送り込むために (Mak がポスドクとして習得した輸送技術の基礎)、カップルは無数の詳細に取りつかれました: 電極に使用する金属の種類、TMD からの距離、どの化学物質を使用するかなどです。接点のクリーニングに使用します。 電極をセットアップするための無数の方法を試すのは時間がかかり、骨の折れるものでした。「これを改良したり、少しずつ改良したりする時間のかかるプロセスです」と、Mak 氏は言います。
また、直径が 2018 万分の XNUMX メートルしかない極小のフレークを持ち上げて積み重ねる方法を見つけるのに何年も費やしました。 この能力に加えて、ホーンのクリスタルと改善された電気接点により、すべてが XNUMX 年にまとまりました。カップルはニューヨーク州イサカに移り、コーネル大学で新しい職に就き、先駆的な結果のカスケードがラボから溢れ出しました。
コーネルでのブレイクスルー
マックとシャンのグループの大学院生である Zhengchao Xia 氏は、窒化ホウ素フレークの暗いシルエットが剥がれ落ちて下のシリコン表面に戻る恐れがあるため、「今日、何らかの理由ですべてを拾うのは難しい」と語った。 マダガスカルの形をしたシートは、サウジアラビアに似たグラファイトの塊に弱くくっついていた.紙が最近こすった風船のパチパチ音をたてる表面にくっついているのと同じように. 次に、グラファイトは、スライドガラスに付着したプラスチックのねばねばした露滴に付着していました。 Xia はコンピュータ インターフェイスを使用して、スライドをつかむ電動スタンドを操作しました。 ゲームセンターに通う人がジョイスティックを使ってクロー マシンを操作するように、彼女はマウス クリックごとに XNUMX 万分の XNUMX メートルの XNUMX 分の XNUMX の速度でスタックを慎重に空中に持ち上げ、コンピューターのモニターをじっと見つめながら、自分が持っているかどうかを確認しました。窒化ホウ素フレークをうまくつかみました。
彼女が持っていた。 さらに数回クリックすると、XNUMX 層のスタックが解放され、Xia はすばやく、しかし慎重に、無秩序に広がる金属電極が埋め込まれた XNUMX 番目の材料にフレークを堆積させました。 さらに数回クリックすると、彼女は表面を加熱し、スライドのプラスチック接着剤を溶かしてから、私たちのどちらかが顕微鏡デバイスをくしゃみで取り除くことができました.
「それが消えるという悪夢をいつも見ています」と彼女は言いました。
最初から最後まで、Xia がシンプルなデバイスの下半分を組み立てるのに 10 時間以上かかりました。これは、オープンフェースの PB&J に相当します。 彼女は最近まとめた別のスタックを見せて、TMDの二セレン化タングステンと二テルル化モリブデンを含むいくつかの成分をガタガタ鳴らしました. 彼女がこの XNUMX 年間に作成し、研究した数十の微細なサンドイッチの XNUMX つであるこのダグウッドのデバイスは、なんと XNUMX 層であり、組み立てるのに数時間かかりました。
コロンビア、マサチューセッツ工科大学、バークレー、ハーバード、その他の機関の研究室でも行われているこの 2D 材料の積み重ねは、凝縮物質物理学者の長年の夢の実現を表しています。 研究者はもはや、地中にある物質や研究室でゆっくりと成長した物質に制限されることはありません。 今では、レゴ ブロックのアトミックな同等物で遊ぶことができ、シートを一緒にスナップして、必要な特性を備えた特注の構造を構築できます。 TMD 構造の組み立てに関しては、Cornell グループほど進んでいる人はほとんどいません。
コーネル大学でのマクとシャンの最初の主要な発見は、2014 年に彼らが TMD で見た強く束縛された電子正孔対である励起子に関するものでした。準粒子」は、凝縮物質物理学の長年の目標である室温超伝導を達成するための回り道を提供する可能性があります。
励起子は、電子と電子のペアと同じファンキーなルールで再生されます。 これらの電子正孔対もボソンになり、ボース・アインシュタイン凝縮として知られる共有量子状態に「凝縮」します。 このコヒーレントな準粒子の大群は、抵抗なしで流れる能力である超流動性などの量子特性を示すことができます。 （超流動が電流を運ぶとき、それは超伝導します。）
しかし、反発する電子とは異なり、電子と正孔は結合するのが大好きです。 研究者は、これにより接着剤がより強力になる可能性があると述べています。 励起子ベースの超伝導への課題は、電子が穴を埋めないようにすることと、電気的に中性のペアを電流で流すことにあります。これらはすべて、可能な限り暖かい部屋で行われます。 これまでのところ、Mak と Shan は最初の問題を解決し、XNUMX 番目の問題に取り組む計画を立てています。
原子の雲は、強力なレーザーで絶対零度以上に冷却することで、凝縮体を形成するように誘導できます。 しかし、理論家たちは、励起子の凝縮体がより高い温度で形成される可能性があると長い間疑っていました。 Cornell グループは、スタック可能な TMD でこのアイデアを実現しました。 2019 層のサンドイッチを使用して、余分な電子を最上層に置き、電子を下層から除去して、正孔を残しました。 電子と正孔がペアになり、電子が相手を中和するために反対側の層にジャンプするのに苦労するため、長寿命の励起子が生成されます。 XNUMX 年 XNUMX 月、同グループは 報告された兆候 穏やかな 100 ケルビンでの励起子凝縮体。 このセットアップでは、励起子は、このタイプの準粒子の寿命である数十ナノ秒持続しました。 2021年の秋に、グループは、励起子がミリ秒持続するように見える改良された装置を説明しました。
チームは今、追い求めている スキーム 励起子電流を生成するために 2008 年に理論家によって考案されました。 アラン・マクドナルドテキサス大学オースティン校の著名な凝縮物質理論家と彼の大学院生である Jung-Jung Su は、電子と正孔の両方が同じ方向に移動するように方向付けられた電場を適用することによって、中性励起子を流すことを提案しました。 研究室でそれをやってのけるために、コーネルのグループは、長年の敵である電気的接触に再び取り組まなければなりません。 この場合、複数の電極セットを TMD 層に取り付ける必要があり、一部は励起子を製造し、他は励起子を移動させます。
Shan と Mak は、近いうちに最大 100 ケルビンで励起子が流れるように軌道に乗っていると考えています。 これは人間にとって極寒の部屋 (摂氏 -173 度または華氏 -280 度) ですが、ほとんどのボゾン凝縮体が必要とするナノケルビン条件からは大きく飛躍しています。
「温度をXNUMX億倍も温めることは、それ自体が素晴らしい成果です」と、マックはずる賢い笑顔で言いました。
魔法のモアレ素材
2018 年、コーネル大学の研究室が TMD 実験を強化している間に、別のグラフェンのサプライズが第 2 の XNUMXD 材料革命を引き起こしました。 パブロ・ハリージョ・ヘレロMIT の研究者であり、別のコロンビア大学卒業生である は、下の層に対してグラフェンの 2 つの層をねじることで、魔法のような新しい 1.1D 材料が作成されたことを発表しました。 秘密は、六角形が下の六角形に対して正確に XNUMX 度回転するように、六角形がわずかに「ねじれ」て着地するように上層を落とすことでした。 この角度のずれにより、原子間にオフセットが生じ、材料上を移動するにつれて成長および収縮し、モアレ超格子として知られる大きな「スーパーセル」の繰り返しパターンが生成されます。 マクドナルドと同僚は 2011年計算 1.1度の「魔法の角度」で、超格子の独特の結晶構造がグラフェンの電子を減速させ、隣接する電子の反発を感知させる。
電子がお互いを認識するようになると、奇妙なことが起こります。 通常の絶縁体、導体、半導体では、電子は原子の格子とのみ相互作用すると考えられています。 彼らはお互いに気付かないほど速く走り回っています。 しかし、速度が遅くなると、電子は互いに衝突し、集合的にさまざまなエキゾチックな量子状態を想定することができます。 Jarillo-Herrero の実験は、 あまり理解できなかった その理由は、ねじれた魔法の角度のグラフェンにおけるこの電子から電子への通信が、 特に強い形の超伝導.
グラフェンモアレ超格子はまた、電子を制御する根本的な新しい方法を研究者にもたらしました。 超格子では、電子は個々の原子に気づかなくなり、まるで巨大な原子であるかのようにスーパーセル自体を体験します。 これにより、集団量子状態を形成するのに十分な電子をスーパーセルに簡単に配置できます。 Jarillo-Herrero のグループは、電場を使用してスーパーセルあたりの平均電子数を増減させることで、ツイスト XNUMX 層グラフェン デバイスを超伝導体として機能させることができました。 絶縁体、または 他のいかだ, 見知らぬ電子の振る舞い.
世界中の物理学者が「ツイストロニクス」という初期の分野に突入しました。 しかし、多くの人はねじれが難しいことに気づきました。 原子は、「魔法の」1.1 度のずれにきちんと収まる理由がないため、シートはその特性を完全に変える方法でしわになります。 コーネル大学の大学院生である Xia 氏は、他の大学でねじれたデバイスを扱っている友人がたくさんいると語った。 通常、動作するデバイスを作成するには、数十回の試行が必要です。 それでも、各デバイスの動作は異なるため、特定の実験を繰り返すことはほとんど不可能です.
TMD は、モアレ超格子を作成するはるかに簡単な方法を提供します。 さまざまな TMD がさまざまなサイズの六角形格子を持っているため、小さな格子の上にわずかに大きな六角形の格子を積み重ねると、角度のずれと同じようにモアレ パターンが作成されます。 この場合、レイヤー間に回転がないため、スタックは所定の位置にスナップして静止する可能性が高くなります。 Xia が TMD モアレ デバイスの作成に着手したとき、彼女は通常、XNUMX 回中 XNUMX 回は成功すると述べました。
TMD モアレ材料は、電子相互作用を探索するための理想的な遊び場になります。 材料は半導体であるため、グラフェンの熱狂的な電子とは異なり、材料を通過するにつれて電子が重くなります。 また、巨大なモアレ セルは、それらの速度をさらに低下させます。電子は、テレポーテーションに似た量子力学的挙動である「トンネリング」によって原子間を移動することがよくありますが、スーパーセルはその内部の原子よりも約 100 倍離れているため、モアレ格子でトンネリングが発生することはめったにありません。 . この距離は、電子が落ち着くのを助け、隣人を知る機会を与えます。
Shan と Mak の友好的なライバルである Feng Wang は、TMD モアレ超格子の可能性を最初に認識した XNUMX 人でした。 エンベロープの裏側の計算では、これらの材料は、電子が組織化できる最も単純な方法の XNUMX つ、すなわちウィグナー結晶として知られる状態を生み出すはずであることが示唆されました。この状態では、相互の反発が無気力な電子を所定の位置に固定します。 王のチームは見た そのような状態の兆候 2020年に発行されました 最初の画像 腕の長さで互いに保持している電子の 自然 その時までに、Wang の TMD モアレ活動の噂は、緊密な 2021D 物理学コミュニティにすでに広まり、Cornell TMD 工場は独自の TMD モアレ デバイスを量産していました。 Shan と Mak はまた、2 年に TMD 超格子におけるウィグナー結晶の証拠を報告し、デバイス内の電子がほぼ XNUMXダースの異なるウィグナー結晶パターン.
同時に、コーネルのグループは、TMD モアレ材料を電動工具に加工していました。 マクドナルドと協力者 予測していた 2018 年には、これらのデバイスが、凝縮物質物理学における最も重要なおもちゃモデルの XNUMX つを完全に表現するための技術的機能の適切な組み合わせを備えていることがわかりました。 ハバードモデルと呼ばれるものは、さまざまな電子の振る舞いを理解するために使用される理論化されたシステムです。 独自提案 1963 年に Martin Gutzwiller、Kanamori Junjiro、John Hubbard によって作成されたこのモデルは、事実上無限の種類の結晶格子を最も本質的な特徴まで剥ぎ取ろうとする物理学者の最良の試みです。 電子をホストする原子のグリッドを想像してください。 ハバード モデルでは、各電子が 1 つの競合する力を感じていると仮定しています。隣の原子にトンネリングして移動しようとしますが、隣の原子からも反発されるため、その場所に留まろうとします。 どちらの欲求が強いかによって、異なる行動が生じます。 ハバード モデルの唯一の問題は、最も単純なケース (原子の XNUMXD ストリング) を除いて、数学的に解けないことです。
MacDonald と同僚によると、TMD モアレ材料はハバード モデルの「シミュレーター」として機能し、電子を結合して銅酸化物の超伝導ペアにする接着剤の性質など、この分野の最も深い謎のいくつかを解決する可能性があります。 研究者は、不可能な方程式と格闘する代わりに、電子を TMD サンドイッチに自由に配置し、その動作を確認することができました。 「このモデルを書き留めることはできますが、多くの重要な質問に答えることは非常に困難です」と MacDonald 氏は述べています。 「今、私たちは実験を行うだけでそれを行うことができます. それは本当に画期的なことです。」
ハバード モデル シミュレータを構築するために、Shan と Mak は二セレン化タングステンと硫化タングステンの層を積み重ねてモアレ超格子を作成し、電極を取り付けて、TMD サンドイッチを通過する電場を調整しました。 電場は、各スーパーセルを満たす電子の数を制御しました。 セルは巨大な原子のように振る舞うので、スーパーセルあたり XNUMX 個の電子から XNUMX 個の電子に移行することは、水素原子の格子をヘリウム原子の格子に変換するようなものでした。 彼らの 最初のハバードモデルの出版 in 自然 2020 年 1.38 月に、彼らは最大 XNUMX つの電子を持つ原子のシミュレーションを報告しました。 今日では、最大 XNUMX つまで可能です。 ある意味で、彼らは鉛を金に変えるという古代の目的を実現していました。 「それは化学を調整するようなものです」とマックは言いました。「周期表を調べます。」 原理的には、たとえばそれぞれ XNUMX 個の電子を持つ架空の原子のグリッドを思い起こさせることさえできます。
次に、グループは人工原子の心臓に注目しました。 より多くの電極を使用して、巨大な合成原子の中心に正の陽子を追加するのと同様の変更を加えることで、スーパーセルの「電位」を制御できます。 原子核の電荷が多いほど、電子がトンネルを抜けにくくなるため、この電場によって電子のホッピング傾向が上下します。
マックとシャンによる巨大原子の制御、つまりハバードモデルの制御は完了した。 TMD モアレ システムにより、自然界には存在しないものも含め、代用原子のグリッドを召喚し、希望どおりにスムーズに変形させることができます。 それは、同分野の他の研究者から見ても魔法に近い力です。 「彼らの最もエキサイティングで印象的な取り組みを一つ挙げるとすれば、それです」とキムは語った。
コーネルのグループは、70 年にわたる論争に決着をつけるために、彼らのデザイナー アトムをすぐに使用しました。 質問は、絶縁体を取り、その原子を微調整して導電性金属に変えることができたらどうでしょうか? 切り替えは徐々に行われますか、それとも突然行われますか?
モアレの錬金術を使って、シャンとマックは研究室で思考実験を行いました。 最初に彼らは、TMD 超格子が絶縁体のように振る舞うように電子をトラップする重い原子をシミュレートした。 次に、原子を収縮させ、電子が自由に跳躍できるようになるまでトラップを弱め、超格子を導電性金属にしました。 超格子がますます金属のように振る舞うにつれて電気抵抗が徐々に低下することを観察することにより、彼らは遷移が急激ではないことを示しました。 この発見は、 彼らは発表した in 自然 昨年、超格子の電子が、 量子スピン液体. 「それは、取り組むことができる最も興味深い問題かもしれません」とマックは言いました。
ほぼ同時に、カップルは、一部の物理学者がこれまでで最も重要な発見と考えているものに幸運にも恵まれました。 「それは実際には完全な事故でした」とマックは言いました。 「誰も予想していなかった」
ハバード シミュレーターの研究を開始したとき、研究者は、遷移金属の上に遷移金属、カルコゲナイドの上にカルコゲナイドを配置して、XNUMX つの層の六角形を整列させた TMD サンドイッチを使用しました。 (その時、彼らは絶縁体から金属への段階的な転移を発見した。) その後、たまたま最上層が逆方向に積み重ねられたデバイスで実験を繰り返した。
以前と同様に、電子がホップし始めると、抵抗が低下し始めました。 しかしその後急激に低下し、非常に低くなり、研究者はモアレが超伝導を始めたのではないかと疑った。 しかし、さらに調べてみると、彼らは 抵抗のまれなパターンを測定しました これは量子異常ホール効果として知られ、さらに奇妙なことが起こっていることの証拠です。 この効果は、デバイスの結晶構造が、材料の端に沿った電子に中央の電子とは異なる作用を強いていることを示していました。 デバイスの中央では、電子は絶縁状態でトラップされました。 しかし、周囲では、それらは一方向に流れました - 超低抵抗を説明しています. 偶然にも、研究者たちは、チャーン絶縁体として知られる非常に異常で壊れやすいタイプの物質を作成していました。
量子異常ホール効果、 2013年に最初に観察された、通常、温度が 2019 分の XNUMX ケルビンを超えると崩壊します。 XNUMX 年、サンタバーバラのヤングのグループは、 XNUMX 回限りのツイスト グラフェン サンドイッチ 約5ケルビンで。 シャンとマックは、ほぼ同じ温度で効果を達成しましたが、誰でも再現できるツイストのない TMD デバイスを使用していました。 「私たちの方が体温が高かったのですが、10回連続でできるので、いつでも彼らの体温を測ります」とヤングは言いました。 つまり、「それを理解して実際に何かをするために使う」ことができるということです。
Mak と Shan は、少し手を加えるだけで、TMD モアレ材料を使用して、50 または 100 ケルビンまで耐えるチャーン絶縁体を構築できると考えています。 成功すれば、抵抗なしで電流を流す別の方法につながる可能性があります。少なくとも、デバイス内の特定の場所でオンとオフを切り替えることができる可能性がある小さな「ナノワイヤ」です。
フラットランドでの探索
画期的な結果が積み重なっているにもかかわらず、カップルは減速の兆候を示していません. 私が訪問した日、Mak は学生たちがこれまでの作業よりも XNUMX 倍も低い温度にデバイスを冷やすことができる、高くそびえ立つ希釈冷蔵庫をいじくり回しているのを見ていました。 「より暖かい」条件で発見すべき物理学が非常に多いため、グループは超伝導の兆候を求めてより深い極低温領域を徹底的に調査する機会がありませんでした. スーパー冷蔵庫がTMDの超伝導を可能にする場合、それはさらに別の質問に答えるでしょう. 銅酸塩に固有の磁気の形態 (ただし、TMD には存在しません) は、電子結合接着剤の必須成分ではありません。 「それは、理論家が長い間本当に殺したいと思っていた重要な構成要素の XNUMX つを殺すようなものです」とマックは言いました。
彼とシャンと彼らのグループは、よりファンキーな TMD の実験を始めていません。 2D マテリアルの大陸を動き回るのに必要な機器の発明に何年も費やした後、2010 年に上陸した二硫化モリブデンの橋頭堡を超えて冒険する準備がついに整いました。
XNUMX 人の研究者は、彼らの成功はコロンビアで吸収した協力の文化によるものだと考えています。 二硫化モリブデンを紹介した Hone との最初のコラボレーションは、好奇心に従うことができたので、楽しんだ多くの機会の XNUMX つに過ぎなかったと彼らは言います。 彼らの計画について、研究室の責任者であるハインツと「話し合う必要はありませんでした」と、シャンは言いました。 「私たちは他のグループの人々と話をしました。 私たちは実験をしました。 私たちは物事をまとめました。
今日、彼らはコーネル大学でも同様にリラックスした環境を育んでおり、そこでは数十人のポスドクを監督し、研究者や学生を訪問しています。 「生徒たちはとても頭が良く、良いアイデアを持っています」とマックは言いました。 「干渉したくない場合もあります。」
彼らの結婚はまた、彼らの研究室をユニークなものにしています。 XNUMX 人は、自分の強みに傾倒することを学びました。 実験家としての豊富な創造性に加えて、Shan は優れた管理者となる慎重な規律を備えています。 私たち XNUMX 人が話していると、物理学への熱意が彼を専門的なことに深く入り込ませたときに、彼女は頻繁に「ファイ教授」を軌道に乗せるように促しました。 マック氏は、研究室の内外で若手研究者と一緒に苦労することを楽しんでいます。 彼は最近、グループでロック クライミングを始めました。 「彼らの研究室は彼らの家族のようです」とヤングは言いました。 Shan と Mak は、XNUMX 人でできるよりも一緒に多くのことを成し遂げたと私に言いました。 「XNUMX 足す XNUMX は XNUMX 以上です」とマックは言いました。
彼らが構築しているデバイスは、それらのパーツの合計以上のものになる可能性もあります。 研究者が TMD シートを結合して励起子とモアレ超格子を作成するとき、彼らは、電子を家畜化する新しい方法がどのように技術を加速させるかについて推測しています。 ポケット対応の超伝導が実現しにくい場合でも、ボース・アインシュタイン凝縮体は超高感度の量子センサーにつながる可能性があり、チャーンのような絶縁体のより良い制御が可能になる可能性があります 強力な量子コンピューター. そして、それらは単なる明白なアイデアです。 材料科学の漸進的な改善は、多くの場合、急進的なアプリケーションにつながります。 たとえば、トランジスタを開発した研究者は、指の爪ほどの大きさのチップに詰め込まれた数十億個の微細なスイッチを搭載したスマートフォンを予測するのに苦労したでしょう。 また、研究室のベンチ全体で光を運ぶことができるグラスファイバーを作ろうと努力した科学者たちは、10,000 キロメートルの海底光ファイバーがいつか大陸をつなぐとは予想できませんでした。 XNUMX 次元の物質は、同様に予測不可能な方向に進化する可能性があります。 「真に新しい材料プラットフォームは、既存の材料を置き換えるのではなく、独自のアプリケーションを生成します」と Heinz 氏は述べています。
私をイサカのバス停まで車で送っている間、シャンとマックはカナダのバンフに行った最近の (そしてめったにない) 休暇について話してくれました。 彼らはクマを見つけようと何日も費やしましたが、無駄でした。 そして、旅の終わり、空港に向かう途中、植物保護区に足を伸ばして立ち止まったところ、ツキノワグマと対面しました。
同様に、物性物理学では、彼らのアプローチは、新しい風景の中を一緒に歩き回り、何が現れるかを見ることです。 「理論的なガイダンスはあまりありませんが、ふざけて実験で遊んでいるだけです」とマックは言いました。 「失敗することもありますが、非常に予期しないことに出くわすこともあります。」
