숙련된 사람의 눈에도 몰리브덴산염은 광택이 나는 은빛 결정체인 흑연과 거의 동일하게 보입니다. 연필을 잘 채우는 방식으로 플레이크를 벗겨내는 것도 비슷하게 작동합니다. 그러나 전자의 경우 두 개의 원자 격자는 서로 다른 세계를 형성합니다. 이 구별은 244년 전에 처음으로 과학 기록에 등장했습니다. 산소 발견으로 유명한 스웨덴의 화학자 칼 셸레(Carl Scheele)는 각 광물을 다양한 산에 넣고 솟아오르는 무시무시한 가스 구름을 지켜보았습니다. 결국 이 접근 방식의 대가를 자신의 목숨으로 지불하고 43세에 중금속 중독으로 의심되어 사망한 Scheele는 몰리브덴산염이 새로운 물질이라고 결론지었습니다. 그는 1778년 스웨덴 왕립과학원에 보낸 편지에서 이를 설명하면서 다음과 같이 썼습니다. “여기서는 약종상에서 구할 수 있는 일반적으로 알려진 흑연을 언급하는 것이 아닙니다. 이 전이금속은 알려지지 않은 것 같습니다.”
가루 조각으로 부서지는 경향이 있는 몰리브덴산염은 20세기에 인기 있는 윤활제가 되었습니다. 이는 스키가 눈 속에서 더 멀리 미끄러지는 데 도움이 되었고 베트남의 소총 통에서 총알이 나가는 것을 원활하게 했습니다.
오늘날, 그와 동일한 결함이 물리학 혁명을 촉진하고 있습니다.
획기적인 발전은 흑연과 스카치 테이프에서 시작되었습니다. 연구자들은 2004년 우연히 테이프를 사용하여 원자 2개 두께의 흑연 조각을 벗겨낼 수 있다는 사실을 발견했습니다. 각각 탄소 원자가 편평하게 배열된 이 결정질 시트는 원래의 XNUMX차원 결정과는 근본적으로 다른 놀라운 특성을 가지고 있었습니다. 그래핀(발견자들이 명명한 이름)은 완전히 새로운 범주의 물질, 즉 XNUMXD 재료였습니다. 그 발견은 물질의 다양한 형태와 행동을 이해하려는 물리학의 한 분야인 응집물질 물리학을 변화시켰습니다. 거의 절반 모든 물리학자 중 응집물질 물리학자가 있습니다. 컴퓨터 칩, 레이저, LED 전구, MRI 기계, 태양 전지 패널 및 모든 종류의 현대 기술의 경이로움을 가져온 하위 분야입니다. 그래핀이 발견된 후, 수천 명의 응집물질 물리학자들은 이 새로운 물질이 미래 기술을 뒷받침할 것이라는 희망을 품고 연구를 시작했습니다.
그래핀의 발견자들은 2010년에 노벨 물리학상을 받았습니다. 같은 해 컬럼비아 대학의 두 젊은 물리학자는 지에 샨 및 킨 파이 막, 몰리브덴산염 조각이 그래핀보다 훨씬 더 마법적일 수 있다는 징후를 보았습니다. 덜 알려진 광물은 연구를 어렵게 만드는 특성을 가지고 있습니다. 많은 실험실에서는 너무 어렵습니다. 하지만 Shan과 Mak의 마음을 사로잡았습니다. 끈질긴 듀오는 거의 2년 동안 2D 몰리브덴산염(또는 실험실에서 재배한 크리스탈 버전이라고 불리는 이황화 몰리브덴)과 밀접하게 관련된 XNUMXD 크리스탈 제품군을 연구하는 데 전념했습니다.
이제 그들의 노력이 결실을 맺고 있습니다. 현재 결혼하여 코넬 대학에서 공동 연구 그룹을 운영하고 있는 Shan과 Mak은 이황화 몰리브덴과 그 친척의 2D 결정이 엄청나게 다양한 이국적인 양자 현상을 일으킬 수 있음을 보여주었습니다. "여긴 미친 놀이터야"라고 말했어요 제임스 혼, 코넬 연구소에 고품질 결정을 공급하는 컬럼비아 연구원. "하나의 재료 시스템에서 모든 현대 응집 물질 물리학을 수행할 수 있습니다."
Shan과 Mak의 그룹은 이러한 편평한 결정에서 전례 없는 방식으로 행동하는 전자를 포착했습니다. 그들은 입자를 구슬려 양자 유체로 합쳐서 다양한 얼음 같은 구조로 얼렸습니다. 그들은 현재 물질의 기본 이론을 위한 테스트 베드 역할을 하는 거대한 인공 원자 그리드를 조립하는 방법을 배웠습니다. 2018년 코넬 연구소를 개설한 이후, 마스터 전자 조련사들은 XNUMX년에 눈에 띄는 XNUMX편의 논문을 발표했습니다. 자연, 과학 분야에서 가장 권위 있는 저널과 수많은 추가 논문을 보유하고 있습니다. 이론가들은 이 부부가 전자 덩어리가 무엇을 할 수 있는지에 대한 이해를 넓히고 있다고 말합니다.
그들의 연구는 “여러 측면에서 매우 인상적”이라고 말했습니다. 김필립, 하버드 대학교의 저명한 응집물질 물리학자. “내 말은 정말 충격적이다.”
2D 재료의 부상
물질의 속성은 일반적으로 전자가 하는 일을 반영합니다. 예를 들어, 금속과 같은 전도체에서는 전자가 원자 사이를 쉽게 이동하며 전기를 전달합니다. 나무나 유리와 같은 절연체에서는 전자가 그대로 유지됩니다. 실리콘과 같은 반도체는 그 사이에 속합니다. 전자는 에너지 유입에 따라 강제로 움직일 수 있으므로 트랜지스터의 역할인 전류를 켜고 끄는 데 이상적입니다. 지난 50년 동안 응축 물질 물리학자들은 이러한 세 가지 기본 전자 거동 외에도 경량 하전 입자가 훨씬 더 특이한 방식으로 거동하는 것을 보아 왔습니다.
가장 극적인 놀라움 중 하나는 1986년에 두 명의 IBM 연구원인 Georg Bednorz와 Alex Müller가 나타났습니다. 탐지 된 어떤 저항도 없이 구리 산화물("구리산염") 결정을 통해 이동하는 전자의 전류입니다. 완벽한 효율로 전기가 흐르는 능력인 이 초전도성은 이전에도 볼 수 있었지만 절대 영도 몇도 이내로 냉각된 물질에서 잘 알려진 이유만으로 가능했습니다. 이번에 Bednorz와 Müller는 기록적인 35켈빈(즉, 절대 영도보다 35도 높은 온도)에서 지속되는 현상의 신비한 형태를 관찰했습니다. 과학자들은 곧 100켈빈 이상에서 초전도를 일으키는 다른 구리산염을 발견했습니다. 오늘날 응축 물질 물리학의 가장 중요한 목표로 남아 있는 꿈이 탄생했습니다. 약 300켈빈의 뜨거운 세계에서 전기를 초전도할 수 있는 물질을 찾거나 엔지니어링하여 무손실 전력선을 구현하고 차량을 공중에 띄우며 기타 초효율 장치를 구현하는 것입니다. 인류의 에너지 수요를 크게 줄일 수 있습니다.
초전도성의 핵심은 일반적으로 서로 밀어내는 전자를 동축하여 보존이라고 알려진 개체를 쌍으로 형성하는 것입니다. 그러면 보존은 마찰 없는 양자 유체로 집합적으로 융합될 수 있습니다. 원자 진동과 같이 보존을 생성하는 인력은 일반적으로 극저온 또는 극저온에서만 전자의 반발력을 극복할 수 있습니다. 고압. 그러나 이러한 극한 조건의 필요성으로 인해 초전도가 일상적인 장치에 적용되는 것을 방해했습니다. 큐프레이트의 발견은 올바른 원자 격자가 전자를 매우 단단하게 "접착"하여 실온에서도 붙어 있을 수 있다는 희망을 불러일으켰습니다.
Bednorz와 Müller의 발견 이후 40년이 지난 지금도 이론가들은 큐프레이트의 접착제가 어떻게 작동하는지 완전히 확신하지 못하고 있으며, 이를 강화하기 위해 재료를 조정하는 방법은 더더욱 모릅니다. 따라서 응집물질 물리학에 대한 많은 연구는 전자 쌍을 유지하거나 다른 놀라운 방법으로 전자를 인도할 수 있는 결정을 찾는 시행착오입니다. 김 교수는 “응집물질은 우연한 일을 가능하게 하는 물리학의 한 분야”라고 말했다. 2004년 2차원 물질이 발견된 것도 마찬가지다.
안드레 게임 및 콘스탄틴 노보 슬로프, 영국 맨체스터 대학교에서 흑연을 연구하고 있으며, 발견 재료의 벗겨짐으로 인한 충격적인 결과. 흑연 결정은 느슨하게 묶인 육각형 시트로 배열된 탄소 원자를 포함합니다. 이론가들은 스택의 안정화 영향이 없으면 열로 인한 진동으로 인해 단층 시트가 파손될 것이라고 오랫동안 예측해 왔습니다. 그러나 Geim과 Novoselov는 스카치 테이프와 지속성만으로 안정적이고 원자적으로 얇은 시트를 벗겨낼 수 있다는 사실을 발견했습니다. 그래핀은 전자가 미끄러질 수는 있지만 위아래로 움직일 수는 없는 최초의 진정한 평면 소재였습니다.
컬럼비아의 물리학자 혼(Hone)은 세상에서 가장 얇은 물질이 어떻게든 역시 최강이다. 이론가들이 전혀 서로 어울리지 않을 것이라고 생각했던 자료에 대한 놀라운 혼란이었습니다.
그래핀에 관해 물리학자들이 가장 흥미를 느낀 점은 탄소 평지가 전자를 어떻게 변화시키는가였습니다. 그 어떤 것도 전자의 속도를 늦출 수 없었습니다. 전자는 종종 이동하는 원자 격자에 걸려 넘어져 교과서의 질량보다 더 무겁게 작용합니다(절연체의 움직이지 않는 전자는 마치 무한한 질량을 가진 것처럼 작용합니다). 그러나 그래핀의 편평한 격자는 전자가 초당 백만 미터의 속도로 회전하도록 합니다. 이는 빛의 속도보다 단지 수백 배 느린 속도입니다. 그 일정하고 맹렬한 속도에서 전자는 질량이 전혀 없는 것처럼 날아가서 그래핀에 극단적인(초강력은 아니지만) 전도성을 부여했습니다.
경이로운 물질을 중심으로 전체 분야가 생겨났습니다. 연구자들은 또한 더 광범위하게 생각하기 시작했습니다. 다른 물질의 2차원 조각이 그 자체로 초능력을 가질 수 있을까요? Hone은 밖으로 나간 사람들 중 하나였습니다. 2009년에 그는 흑연의 도플갱어인 이황화 몰리브덴의 일부 기계적 특성을 측정한 후 그 결정을 Tony Heinz의 콜롬비아 연구소에 있는 두 명의 광학 전문가에게 전달했습니다. 이는 관련된 모든 사람의 경력을 변화시키는 우연한 움직임이었습니다.
이황화 몰리브덴 샘플은 경력 초기에 객원 교수였던 Jie Shan과 대학원생인 Kin Fai Mak의 손에 전달되었습니다. 젊은 듀오는 그래핀이 빛과 어떻게 상호작용하는지 연구하고 있었지만 이미 다른 재료에 대한 공상을 시작했습니다. 그래핀의 빠른 전자는 이를 환상적인 전도체로 만들어 주지만 그들이 원했던 것은 2D 반도체였습니다. 이 반도체는 전자의 흐름을 켜고 끌 수 있어 트랜지스터 역할을 할 수 있는 물질이었습니다.
이황화몰리브덴은 반도체로 알려져 있다. 그리고 Shan과 Mak은 곧 이것이 흑연처럼 2D에서 추가적인 힘을 얻게 된다는 사실을 알게 되었습니다. 그들이 "이황화 몰리브덴"(애칭으로 부름)의 3D 결정에 레이저를 겨누었을 때 결정은 어둡게 유지되었습니다. 그러나 Shan과 Mak이 스카치 테이프로 층을 떼어내고 레이저로 치고 현미경으로 검사했을 때 2D 시트가 밝게 빛나는 것을 보았습니다.
다른 그룹의 연구에서는 밀접하게 관련된 물질로 잘 만들어진 시트가 마지막에 닿는 모든 광자를 반사한다는 사실이 나중에 확인되었습니다. 최근 코넬 대학의 공동 사무실에서 Mak과 Shan을 만났을 때 Mak은 “정말 놀랍습니다.”라고 말했습니다. "단지 한 장의 원자만 있으면 완벽한 거울처럼 빛을 100% 반사할 수 있습니다." 그들은 이 특성이 놀라운 광학 장치로 이어질 수 있다는 것을 깨달았습니다.
독립적으로, 왕펑캘리포니아 대학교 버클리 캠퍼스의 물리학자도 같은 발견을 했습니다. 반사율이 높은 2D 소재와 반도체가 커뮤니티의 관심을 끌었습니다. 모두 그룹 2010년에 연구 결과를 발표했습니다. 이후 해당 논문은 16,000회 이상 인용되었습니다. Hone은 "레이저를 사용하는 모든 사람이 2D 재료에 큰 관심을 갖기 시작했습니다."라고 말했습니다.
두 번째 2D 경이로운 물질로 이황화몰리를 식별함으로써 두 그룹은 2D 물질 전체 대륙에 상륙했습니다. 이황화 몰리브덴은 전이 금속 디칼코게나이드(TMD)로 알려진 물질군에 속하며, 몰리브덴과 같은 주기율표의 금속 중간 영역 원자가 황과 같은 칼코게나이드라고 알려진 화학 화합물 쌍과 연결됩니다. 이황화 몰리브덴은 자연적으로 발생하는 유일한 TMD이지만 수십 개 더 연구자들은 실험실에서 이황화텅스텐, 디텔루르화 몰리브덴 등을 연구할 수 있습니다. 대부분은 약하게 제본된 시트를 형성하므로 테이프 조각의 비즈니스 측면에 취약합니다.
그러나 연구자들이 TMD가 빛을 발하는 것 이상의 일을 하도록 하기 위해 고군분투하면서 처음의 흥분의 물결은 곧 잦아들었습니다. 예를 들어 Wang의 그룹은 이황화 몰리브덴에 금속 전극을 쉽게 부착할 수 없다는 사실을 발견한 후 그래핀으로 물러났습니다. “이것이 우리 그룹에게 몇 년 동안 걸림돌이 되어 왔습니다.”라고 그는 말했습니다. “지금도 연락이 잘 안 돼요.” 그래핀에 비해 TMD의 가장 큰 장점은 가장 큰 약점이기도 한 것 같습니다. 재료의 전자 특성을 연구하려면 연구자는 종종 전자를 그 안으로 밀어 넣고 결과 전류의 저항을 측정해야 합니다. 하지만 반도체는 열악한 전도체이기 때문에 전자를 들어오고 나가는 것이 어렵습니다.
Mak과 Shan은 처음에는 양면적인 감정을 느꼈습니다. Mak은 “우리가 그래핀에 대한 연구를 계속해야 할지, 아니면 이 새로운 재료에 대한 연구를 시작해야 할지가 정말 불분명했습니다.”라고 말했습니다. "그러나 우리는 그것이 이렇게 좋은 특성을 가지고 있다는 것을 알았기 때문에 계속해서 몇 가지 실험을 더 했습니다."
연구를 진행하면서 두 연구자는 이황화몰리와 서로에 대해 점점 더 매료되었습니다. 처음에 그들의 연락은 전문적이었고 주로 연구 중심의 이메일로 제한되었습니다. “파이는 종종 '그 장비는 어디에 있나요? 그걸 어디에 뒀어요?'” Shan이 말했습니다. 그러나 오랜 시간에 걸쳐 배양되고 실험적인 성공에 힘입어 결국 그들의 관계는 낭만적으로 변했습니다. Mak은 "우리는 말 그대로 같은 연구실에서 같은 프로젝트를 진행하면서 너무 자주 만났습니다"라고 말했습니다. “매우 잘 진행된 프로젝트 덕분에 우리도 행복해졌습니다.”
항상 모든 물리학
문제가 되는 TMD를 극복하려면 철저한 규율을 갖춘 두 명의 헌신적인 물리학자 사이의 파트너십이 필요할 것입니다.
학자들은 항상 Shan에게 쉽게 왔습니다. 1970년대 해안 지방 저장성에서 자란 그녀는 수학, 과학, 언어 분야에서 뛰어난 성적을 거두고 허페이에 있는 중국 과학 기술 대학교에서 탐나는 자리를 차지한 스타 학생이었습니다. 그곳에서 그녀는 중국과 소련 간의 선택적 문화 교류 프로그램에 참여할 자격을 얻었고 모스크바 주립 대학에서 러시아어와 물리학을 공부할 기회에 뛰어들었습니다. “XNUMX대라면 세상을 탐험하고 싶어합니다.”라고 그녀는 말했습니다. “저는 주저하지 않았습니다.”
곧바로 그녀는 예상했던 것보다 더 많은 세상을 보았습니다. 비자 문제로 인해 그녀의 러시아 도착이 몇 달 지연되었고, 그녀는 언어 프로그램에서 자리를 잃었습니다. 당국은 그녀에게 다른 경로를 찾아냈고 모스크바에 착륙한 직후 그녀는 기차를 타고 동쪽으로 5,000km를 여행했습니다. XNUMX일 후 그녀는 겨울이 시작될 무렵 시베리아 한가운데 이르쿠츠크 시에 도착했습니다. "제가 받은 조언은 '장갑 없이는 아무것도 만지지 마세요'였습니다."라고 그녀는 말했습니다.
Shan은 장갑을 끼고 한 학기 동안 러시아어를 배웠으며 겨울 풍경의 극명한 아름다움을 감상하게 되었습니다. 코스가 끝나고 눈이 녹자 그녀는 물리학 학위를 시작하기 위해 수도로 돌아와 소련이 붕괴되던 1990년 봄에 모스크바에 도착했습니다.
혼란스러운 시절이었습니다. Shan은 공산주의자들이 정부의 통제권을 되찾으려고 노력하는 동안 탱크가 대학 근처 거리를 굴러다니는 것을 보았습니다. 또 한번은 기말고사 직후 싸움이 벌어졌다. “총소리가 들렸고, 숙소의 불을 끄라는 지시를 받았습니다.”라고 그녀는 말했습니다. 음식부터 화장지까지 모든 것이 쿠폰 시스템을 통해 배급되었습니다. 그럼에도 불구하고 Shan은 혼란 속에서도 연구를 계속하는 교수들의 탄력성에 영감을 받았습니다. “여건이 어려웠지만 많은 과학자들이 이런 태도를 갖고 있었습니다. 그들은 무슨 일이 일어나고 있는지에도 불구하고 자신이 하는 일을 진심으로 사랑합니다.”라고 그녀는 말했습니다.
세계 질서가 무너지자 Shan은 콜롬비아에서 Heinz의 시선을 사로잡은 이론 광학 논문을 출판하여 두각을 나타냈습니다. 그는 그녀에게 지원을 권유했고, 그녀는 뉴욕으로 이주하여 때때로 다른 유학생들이 외국에 적응할 수 있도록 도왔습니다. 예를 들어 그녀는 Wang을 Heinz의 연구실에 고용하고 실험 팁을 공유했습니다. “그녀는 나에게 인내심을 갖는 방법과 레이저에 좌절하지 않는 방법을 가르쳐 주었습니다.”라고 그는 말했습니다.
대부분의 연구자들은 박사학위를 취득한 후 박사후 연구원직을 맡지만 Shan은 2001년에 직접 Case Western Reserve University에 부교수로 합류했습니다. 몇 년 후, 그녀는 안식년을 보내 컬럼비아에 있는 Heinz의 연구실로 돌아왔습니다. 이번만큼은 그녀의 타이밍이 운이 좋았다. 그녀는 하인즈 그룹의 매력적이고 밝은 눈을 가진 대학원생인 Kin Fai Mak과 협력을 시작했습니다.
Mak은 뉴욕으로 향하는 다른, 덜 소란스러운 길을 따랐습니다. 홍콩에서 자란 그는 학교에서 물리학 외에는 거의 이해가 되지 않는 일 때문에 어려움을 겪었습니다. “그것이 내가 좋아하고 실제로 잘하는 유일한 일이었기 때문에 물리학을 선택했습니다.”라고 그는 말했습니다.
홍콩 대학교에서 그의 학부 연구는 두각을 나타냈고, Heinz는 그를 컬럼비아의 급성장하는 응집 물질 물리학 프로그램에 합류하도록 채용했습니다. 그곳에서 그는 가끔씩 교내 축구 경기를 하는 것을 제외하고는 깨어 있는 시간 대부분을 연구실에서 보내며 연구에 전념했습니다. 동료 대학원생인 Andrea Young(현재 캘리포니아 대학교 산타바바라 캠퍼스의 조교수)은 West 113번가에서 Mak과 아파트를 공유했습니다. “새벽 2시에 그를 만나 파스타를 요리하고 물리학에 대해 이야기할 수 있다면 운이 좋았을 것입니다. 그것은 항상 물리학이었습니다.”라고 Young은 말했습니다.
그러나 좋은 시절은 지속되지 않았습니다. Young과 함께 콜롬비아의 아마존 열대우림으로 여행을 떠난 직후 Mak은 병에 걸렸습니다. 그의 의사들은 그의 수수께끼 같은 검사 결과를 어떻게 받아들여야 할지 확신하지 못했고 그는 점점 더 아팠습니다. 운이 좋은 우연이 그의 생명을 구했습니다. Young은 의학 연구원인 그의 아버지에게 상황을 설명했고, 아버지는 자신의 연구 대상이 되었던 특이한 혈액 질환인 재생 불량성 빈혈의 징후를 즉시 알아차렸습니다. “우선 이 질병에 걸리는 것은 실제로 매우 드뭅니다.”라고 Mak은 말했습니다. "그리고 룸메이트의 아버지가 전문가인 질병에 걸리는 경우는 더욱 드뭅니다."
Young의 아버지는 Mak이 실험적 치료에 등록하는 것을 도왔습니다. 그는 대학원 마지막 해의 대부분을 병원에서 보냈고 여러 번 죽음에 가까워졌습니다. 시련을 겪으면서도 물리학에 대한 Mak의 열정은 그를 계속해서 일하게 만들었습니다. “그는 글을 쓰고 있었어요 PRL 병원 침대에서 보낸 편지들”이라고 영은 일지를 언급하며 말했다. 피지컬 리뷰 레터스 (Physical Review Letters). “이 모든 것에도 불구하고 그는 가장 생산적인 학생 중 한 명이었습니다.”라고 Heinz는 말했습니다. “그것은 기적 같은 일이었습니다.”
추가 치료는 결국 Mak이 완전히 회복하는 데 도움이 되었습니다. 유명한 실험가인 영(Young)은 나중에 자신의 개입에 대해 "친구들 사이에서는 이것이 물리학에 대한 나의 가장 큰 공헌이라고 부릅니다."라고 농담했습니다.
2D 황야 속으로
Mak은 2012년에 박사후 연구원으로 Cornell로 옮겼으며, 이때 Shan은 이미 Case Western으로 돌아왔습니다. 그들은 그래핀 및 기타 재료를 사용하여 개별 프로젝트를 추구했지만 계속해서 함께 TMD의 추가 비밀을 밝혀냈습니다.
코넬대학교에서 Mak은 광학 외에 전자의 움직임을 구분하는 또 다른 주요 방법인 전자 수송 측정 기술을 배웠습니다. 이러한 전문 지식으로 인해 연구자들이 일반적으로 한 가지 유형 또는 다른 유형을 전문으로 하는 분야에서 그와 Shan은 이중 위협이 되었습니다. 김씨는 “파이와 지에를 만날 때마다 ‘너희들이 운송을 하는 건 불공평하다’고 불평한다”고 말했다. “내가 무엇을 해야 하나요?”
듀오는 TMD에 대해 더 많이 알수록 더 흥미로워졌습니다. 연구자들은 일반적으로 전자의 두 가지 속성, 즉 전하와 스핀(또는 고유 각운동량) 중 하나에 중점을 둡니다. 전하의 흐름을 제어하는 것은 현대 전자공학의 기초입니다. 그리고 전자의 스핀을 뒤집으면 더 작은 공간에 더 많은 정보를 담는 "스핀트로닉스" 장치가 탄생할 수 있습니다. 2014년에는 Mak이 발견하는 데 도움을 주었습니다. 2D 이황화 몰리브덴의 전자는 특별한 세 번째 속성을 획득할 수 있습니다. 이러한 전자는 특정 양의 운동량으로 움직여야 하며, 연구원들은 "밸리트로닉스" 기술의 세 번째 분야를 생성할 수 있다고 추측하는 "밸리"로 알려진 제어 가능한 속성입니다.
같은 해에 Mak과 Shan은 TMD의 또 다른 놀라운 특징을 확인했습니다. 전자는 결정을 통해 움직이는 유일한 실체가 아닙니다. 물리학자들은 또한 전자가 다른 곳으로 이동할 때 생성되는 빈 공간인 "구멍"을 추적합니다. 이러한 구멍은 실제 양전하를 띤 입자처럼 물질을 돌아다닐 수 있습니다. 양극 정공은 전자가 정공을 막히기 직전에 음극 전자를 끌어당겨 여기자(exciton)라고 알려진 순간적인 파트너십을 형성합니다. 샨과 막 매력을 측정하다 2D 텅스텐 이셀레나이드의 전자와 정공 사이의 결합을 연구하여 일반적인 3D 반도체보다 수백 배 더 강한 것으로 나타났습니다. 이 발견은 TMD의 엑시톤이 특히 강력할 수 있으며 일반적으로 전자가 모든 종류의 이상한 일을 할 가능성이 더 높다는 것을 암시했습니다.
이 부부는 펜실베니아 주립대학교에서 함께 자리를 잡고 그곳에서 연구실을 시작했습니다. 마침내 TMD가 자신의 경력을 걸 만큼 가치가 있다고 확신한 그들은 자료를 새로운 그룹의 초점으로 삼았습니다. 그들은 또한 결혼했습니다.
한편 컬럼비아의 Hone 팀은 고품질 절연체인 질화붕소 위에 그래핀을 배치했을 때 그래핀의 특성이 더욱 극심해지는 것을 확인했습니다. 이는 2D 재료의 가장 새로운 측면 중 하나인 적층 가능성을 보여주는 초기 사례였습니다.
하나의 2D 재료를 다른 재료 위에 놓으면 층이 XNUMX나노미터도 안 되는 간격으로 떨어져 있게 됩니다. 전자의 관점에서는 전혀 거리가 없습니다. 결과적으로, 쌓인 시트는 효과적으로 하나의 물질로 합쳐집니다. Wang은 "두 가지 재료를 함께 사용하는 것이 아닙니다."라고 말했습니다. "정말로 새로운 소재를 창조하시네요."
그래핀은 탄소 원자로만 구성되어 있는 반면, 다양한 TMD 격자 계열은 스태킹 게임에 수십 개의 추가 요소를 제공합니다. 각 TMD에는 고유한 고유 능력이 있습니다. 일부는 자성입니다. 다른 초전도. 연구진은 이들의 결합된 힘으로 패션 소재를 믹스매치할 수 있기를 기대했다.
그러나 Hone의 그룹이 절연체에 이황화 몰리브덴을 배치했을 때 스택의 특성은 그래핀에서 보았던 것과 비교하여 미미한 이득을 보여주었습니다. 결국 그들은 TMD 결정의 품질을 확인하지 않았다는 것을 깨달았습니다. 몇몇 동료들이 개별 원자를 분해할 수 있는 현미경 아래에 이황화몰리를 붙이게 했을 때 그들은 깜짝 놀랐습니다. 일부 원자는 잘못된 위치에 있었고 다른 원자는 완전히 사라졌습니다. 격자 위치 1개 중 최대 100개에는 전자를 유도하는 격자의 능력을 방해하는 문제가 있었습니다. 이에 비해 그래핀은 원자 백만 개당 대략 하나의 결함이 있는 완벽함의 이미지였습니다. “우리는 우리가 사던 물건이 완전한 쓰레기라는 것을 마침내 깨달았습니다.”라고 Hone은 말했습니다.
2016년쯤에 그는 연구용 TMD를 키우는 사업에 뛰어들기로 결정했습니다. 그는 박사후 연구원을 모집했고, 다니엘 로즈, 원료의 분말을 초고온에서 녹인 후 빙하 속도로 냉각시켜 결정을 성장시킨 경험이 있습니다. Hone은 “이것은 물 속의 설탕으로 바위사탕을 키우는 것과 같습니다.”라고 설명했습니다. 새로운 공정은 한 달이 걸렸는데, 상업용 방법은 며칠이 걸렸습니다. 그러나 화학 카탈로그에서 판매되는 것보다 수백 배에서 수천 배 더 나은 TMD 결정을 생산했습니다.
Shan과 Mak은 점점 더 깨끗해지는 Hone의 결정을 활용하기 전에 전자를 받아들이는 것을 좋아하지 않는 미세한 조각으로 작업하는 방법을 알아내는 재미없는 작업에 직면했습니다. 전자를 펌핑하기 위해(Mak이 박사후 과정에서 선택한 전송 기술의 기초) 부부는 셀 수 없이 많은 세부 사항에 집착했습니다. 전극에 사용할 금속 유형, 전극을 배치할 TMD에서 얼마나 멀리 떨어져 있는지, 심지어 어떤 화학 물질을 배치할지까지. 접점을 청소하는 데 사용하십시오. 전극을 설정하는 끝없는 방법을 시도하는 것은 느리고 힘들었습니다. "이것을 조금씩 다듬는 데 시간이 많이 걸리는 과정"이라고 Mak은 말했습니다.
그들은 또한 직경이 2018만분의 XNUMX미터에 불과한 미세한 조각을 들어올리고 쌓는 방법을 알아내는 데 수년을 보냈습니다. 이 능력에 Hone의 크리스털과 개선된 전기 접점을 더해 XNUMX년에는 모든 것이 하나로 합쳐졌습니다. 부부는 코넬대학교에서 새로운 직책을 맡기 위해 뉴욕주 이타카로 이사했고, 그들의 연구실에서 선구적인 결과가 쏟아져 나왔습니다.
코넬에서의 획기적인 발전
질화붕소 플레이크의 어두운 실루엣이 벗겨져 아래의 실리콘 표면으로 떨어지려고 하는 상황에서 Mak과 Shan 그룹의 대학원생인 Zhengchao Xia는 "오늘날에는 어떤 이유로든 모든 것을 파악하기가 어렵습니다."라고 말했습니다. 마다가스카르 모양의 시트는 사우디아라비아를 닮은 흑연 덩어리에 약하게 달라붙었습니다. 마치 최근에 문지른 풍선의 딱딱거리는 표면에 종이가 달라붙는 것과 같습니다. 흑연은 유리 슬라이드에 부착된 끈끈한 플라스틱 이슬방울에 달라붙었습니다. Xia는 컴퓨터 인터페이스를 사용하여 슬라이드를 고정하는 전동 스탠드를 제어했습니다. 마치 아케이드 게임을 즐기는 사람이 조이스틱으로 뽑기 기계를 조작하는 것처럼 그녀는 마우스 클릭당 5분의 1백만 미터의 속도로 조심스럽게 그 더미를 공중으로 들어 올렸고, 컴퓨터 모니터를 뚫어져라 쳐다보며 자신이 제대로 작동했는지 확인했습니다. 질화붕소 조각을 성공적으로 획득했습니다.
그녀는 그랬다. 몇 번의 클릭만으로 2층 스택이 분리되었고 Xia는 신속하지만 의도적으로 움직여 금속 전극이 내장된 세 번째 재료에 플레이크를 증착했습니다. 몇 번의 클릭만으로 그녀는 표면을 가열하여 우리 중 누구도 재채기하여 현미경 장치를 제거하기 전에 슬라이드의 플라스틱 접착제를 녹였습니다.
“나는 항상 그것이 사라지는 악몽을 꾼다”고 그녀는 말했다.
처음부터 끝까지 Xia가 개방형 PB&J에 해당하는 간단한 장치의 하단 절반을 조립하는 데 10시간 이상이 걸렸습니다. 그녀는 최근에 조립한 또 다른 스택을 보여 주었고 TMD의 텅스텐 디셀레나이드와 몰리디텔루라이드를 포함하는 몇 가지 재료를 덜컥 덜컥 덜컥 덜컥 덜컥 탔습니다. 작년에 그녀가 제작하고 연구한 수십 개의 미세한 샌드위치 중 하나인 이 장치의 Dagwood는 무려 XNUMX개의 층으로 이루어져 있으며 조립하는 데 몇 시간이 걸렸습니다.
컬럼비아, 매사추세츠 공과대학, 버클리, 하버드 및 기타 기관의 연구실에서도 수행되는 이러한 2D 재료의 적층은 응집 물질 물리학자들의 오랜 꿈의 실현을 나타냅니다. 더 이상 연구자들은 땅에서 발견되거나 실험실에서 천천히 자라는 물질에만 국한되지 않습니다. 이제 그들은 레고 벽돌과 동등한 원자를 가지고 놀 수 있으며 시트를 서로 붙여서 원하는 특성을 가진 맞춤형 구조를 만들 수 있습니다. TMD 구조를 조립하는 데 있어서 코넬 그룹만큼 멀리 진출한 사람은 거의 없습니다.
코넬대학교에서 Mak과 Shan의 첫 번째 주요 발견은 2014년에 TMD에서 볼 수 있었던 강력하게 결합된 전자-정공 쌍인 엑시톤에 관한 것입니다. 엑시톤은 물리학자들에게 흥미를 불러일으킵니다.준입자”는 응축 물질 물리학의 영원한 목표인 상온 초전도성을 달성하기 위한 우회적인 방법을 제공할 수 있습니다.
엑시톤은 전자-전자 쌍과 동일한 펑키 규칙을 따릅니다. 이러한 전자-정공 쌍 역시 보존이 되어 보스-아인슈타인 응축물이라고 알려진 공유 양자 상태로 "응축"됩니다. 이 일관된 준입자 무리는 저항 없이 흐르는 능력인 초유동성과 같은 양자 특성을 나타낼 수 있습니다. (초유체가 전류를 운반하면 초전도가 됩니다.)
그러나 반발하는 전자와는 달리 전자와 정공은 짝을 이루는 것을 좋아합니다. 연구원들은 이것이 잠재적으로 접착제를 더 강하게 만든다고 말합니다. 엑시톤 기반 초전도의 과제는 전자가 홀을 채우는 것을 방지하고 전기적으로 중성 쌍이 전류로 흐르도록 하는 것입니다. 이 모든 것이 가능한 한 따뜻한 방에서 이루어집니다. 지금까지 Mak과 Shan은 첫 번째 문제를 해결했으며 두 번째 문제를 해결할 계획을 가지고 있습니다.
강력한 레이저를 사용하여 원자 구름을 절대 영도 이상으로 냉각시켜 응축물을 형성하도록 유도할 수 있습니다. 그러나 이론가들은 엑시톤의 응축물이 더 높은 온도에서 형성될 수 있다고 오랫동안 의심해 왔습니다. Cornell 그룹은 적층 가능한 TMD를 통해 이 아이디어를 현실로 만들었습니다. 2019층 샌드위치를 사용하여 그들은 상단 레이어에 여분의 전자를 넣고 하단에서 전자를 제거하여 구멍을 남겼습니다. 전자와 정공이 짝을 이루어, 전자가 파트너를 중화시키기 위해 반대층으로 점프하는 데 어려움을 겪기 때문에 수명이 긴 엑시톤을 만듭니다. XNUMX년 XNUMX월 그룹은 보고된 징후 상쾌한 100켈빈의 엑시톤 응축물입니다. 이 설정에서 엑시톤은 이러한 유형의 준입자의 수명인 수십 나노초 동안 지속되었습니다. 2021년 가을에, 그룹은 여기자가 밀리초 동안 지속되는 것처럼 보이는 개선된 장치를 설명했는데, Mak은 이를 "실질적으로 영원히"라고 불렀습니다.
팀은 지금 추격 중이다. 계획 엑시톤 전류를 생성하기 위해 2008년 이론가들이 만들어낸 것입니다. 앨런 맥도날드텍사스 대학교 오스틴 캠퍼스의 저명한 응집 물질 이론가인 정수정과 그의 대학원생 정수정은 전자와 정공이 같은 방향으로 움직이도록 장려하는 방식으로 전기장을 적용하여 중성 엑시톤을 흐르게 할 것을 제안했습니다. 연구실에서 이 문제를 해결하기 위해 코넬 그룹은 다시 한 번 영원한 적, 즉 전기 접점과 씨름해야 합니다. 이 경우 TMD 층에 여러 세트의 전극을 부착해야 하며, 일부는 엑시톤을 제조하고 다른 일부는 이동을 위해 필요합니다.
Shan과 Mak은 곧 최대 100켈빈의 여기자 흐름을 얻을 수 있을 것으로 믿고 있습니다. 이는 사람에게는 매우 추운 방(섭씨 -173도 또는 화씨 -280도)이지만, 대부분의 보존 응축물에 필요한 나노켈빈 조건에서 크게 도약한 것입니다.
Mak은 "온도를 10억 배로 따뜻하게 하는 것 자체가 좋은 성과가 될 것입니다."라고 능청스러운 미소를 지으며 말했습니다.
마법의 모아레 소재
2018년에 코넬 연구소가 TMD 실험을 강화하는 동안 또 다른 그래핀 놀라움은 두 번째 2D 재료 혁명을 시작했습니다. 파블로 야 릴로-헤레로MIT의 연구원이자 또 다른 컬럼비아 졸업생인 는 그래핀의 한 층을 아래 층에 대해 비틀면 마법의 새로운 2D 재료가 생성된다고 발표했습니다. 그 비결은 육각형이 약간 "뒤틀려" 착지하여 아래쪽 육각형에 대해 정확히 1.1도 회전하도록 상위 레이어를 떨어뜨리는 것이었습니다. 이러한 각도 정렬 불량으로 인해 원자 사이의 오프셋이 발생하여 물질을 가로질러 이동할 때 증가하고 수축하여 모아레 초격자라고 알려진 대형 "수퍼셀"의 반복 패턴이 생성됩니다. MacDonald와 동료는 2011년에 계산 1.1도의 "마법의 각도"에서 초격자의 독특한 결정 구조로 인해 그래핀의 전자가 느려지고 이웃의 반발력을 감지하게 됩니다.
전자가 서로를 인식하게 되면 이상한 일이 일어납니다. 일반적인 절연체, 도체 및 반도체에서 전자는 원자 격자하고만 상호 작용하는 것으로 생각됩니다. 그들은 너무 빨리 달려서 서로를 알아채지 못합니다. 그러나 크롤링 속도가 느려지면 전자는 서로 밀치고 집합적으로 다양한 양자 상태를 가정할 수 있습니다. Jarillo-Herrero의 실험은 다음과 같은 사실을 보여주었습니다. 이해가 부족한 그 이유는 뒤틀린 매직 앵글 그래핀의 전자 간 통신이 다음을 발생시키기 때문입니다. 특히 강한 형태의 초전도성.
그래핀 모아레 초격자는 또한 연구자들에게 전자를 제어하는 근본적이고 새로운 방법을 소개했습니다. 초격자에서 전자는 개별 원자를 인식하지 못하고 마치 거대한 원자인 것처럼 초셀 자체를 경험합니다. 이를 통해 집단 양자 상태를 형성하기에 충분한 전자로 슈퍼셀을 쉽게 채울 수 있습니다. Jarillo-Herrero 연구팀은 전기장을 사용하여 슈퍼셀당 평균 전자 수를 늘리거나 줄이면서 꼬인 이중층 그래핀 장치를 초전도체로 사용할 수 있었습니다. 절연체, 또는 다른 뗏목, 낯선 전자 행동.
전 세계의 물리학자들은 "트위스트로닉스"라는 초기 분야로 몰려들었습니다. 그러나 많은 사람들은 비틀기가 어렵다는 것을 알고 있습니다. 원자는 "마법의" 1.1도 정렬 불량에 깔끔하게 빠질 이유가 없으므로 시트는 특성을 완전히 바꾸는 방식으로 주름집니다. 코넬대 대학원생인 Xia는 다른 대학에 꼬인 장치를 연구하는 친구들이 많다고 말했습니다. 작동하는 장치를 만들려면 일반적으로 수십 번의 시도가 필요합니다. 그럼에도 불구하고 각 장치는 다르게 작동하므로 특정 실험을 반복하는 것은 거의 불가능합니다.
TMD는 모아레 초격자를 생성하는 훨씬 쉬운 방법을 제시합니다. 서로 다른 TMD에는 서로 다른 크기의 육각형 격자가 있기 때문에 작은 격자 위에 약간 더 큰 육각형 격자를 쌓으면 각도 정렬 불량과 마찬가지로 모아레 패턴이 생성됩니다. 이 경우 레이어 간에 회전이 없기 때문에 스택이 제자리에 고정되어 가만히 있을 가능성이 더 높습니다. Xia는 TMD 모아레 장치를 만들기 시작했을 때 일반적으로 5번 중 4번은 성공했다고 말했습니다.
TMD 모아레 재료는 전자 상호 작용을 탐구하기 위한 이상적인 놀이터를 만듭니다. 재료는 반도체이기 때문에 그래핀의 열광적인 전자와 달리 재료를 통과하면서 전자가 무거워집니다. 그리고 거대한 모아레 셀은 속도를 더욱 느리게 만듭니다. 순간 이동과 유사한 양자 역학적 동작인 '터널링'을 통해 전자가 원자 사이를 이동하는 경우가 많은 반면, 모아레 격자에서는 터널링이 거의 발생하지 않습니다. 슈퍼셀은 내부 원자보다 약 100배 더 멀리 떨어져 있기 때문입니다. . 거리는 전자가 정착하는 데 도움이 되고 이웃을 알 수 있는 기회를 제공합니다.
Shan과 Mak의 우호적인 라이벌인 Feng Wang은 TMD 모아레 초격자의 잠재력을 가장 먼저 인식한 사람 중 한 명이었습니다. 봉투 뒷면의 계산에 따르면 이러한 물질은 전자가 조직될 수 있는 가장 간단한 방법 중 하나, 즉 상호 반발력이 무기력한 전자를 제자리에 고정시키는 위그너 결정(Wigner crystal)으로 알려진 상태를 생성해야 한다고 제안되었습니다. Wang 팀이 본 그러한 상태의 징후 2020년에 출판됨 첫 번째 이미지 팔 길이만큼 서로를 잡고 있는 전자들의 자연 그때까지 Wang의 TMD 모아레 활동에 대한 소문은 이미 긴밀한 2021D 물리학 커뮤니티를 통해 퍼져 있었고 Cornell TMD 공장은 자체 TMD 모아레 장치를 생산하고 있었습니다. Shan과 Mak은 또한 2년에 TMD 초격자에서 Wigner 결정에 대한 증거를 보고했으며 몇 달 안에 장치의 전자가 거의 2020% 결정화될 수 있음을 발견했습니다. 24개의 서로 다른 위그너 크리스탈 패턴.
동시에 코넬 그룹은 TMD 모아레 소재를 전동 공구로 제작하고 있었습니다. 맥도날드와 협력자 예측했다 2018년에는 이러한 장치가 응집 물질 물리학에서 가장 중요한 장난감 모델 중 하나를 완벽하게 나타낼 수 있는 기술적 기능의 올바른 조합을 갖추고 있음이 밝혀졌습니다. 소위 허바드 모델(Hubbard model)은 다양한 전자 행동을 이해하는 데 사용되는 이론화된 시스템입니다. 독립적으로 제안 1963년 Martin Gutzwiller, Junjiro Kanamori 및 John Hubbard가 만든 이 모델은 실질적으로 무한한 다양한 결정질 격자를 가장 기본적인 특징까지 제거하려는 물리학자들의 최선의 시도입니다. 전자를 호스팅하는 원자 격자를 상상해 보세요. 허바드 모델은 각 전자가 두 가지 경쟁적인 힘을 느낀다고 가정합니다. 즉, 인접한 원자로 터널링하여 이동하기를 원하지만 이웃 원자에 의해 반발되기 때문에 현재 위치에 머물기를 원합니다. 어떤 욕구가 가장 강한지에 따라 다른 행동이 발생합니다. 허바드 모델의 유일한 문제점은 가장 단순한 경우(1D 원자열)를 제외하고는 수학적으로 풀 수 없다는 것입니다.
MacDonald와 동료들에 따르면, TMD 모아레 재료는 허바드 모델의 "시뮬레이터" 역할을 할 수 있으며, 전자를 큐레이트의 초전도 쌍으로 묶는 접착제의 특성과 같은 이 분야의 가장 깊은 미스터리 중 일부를 잠재적으로 해결할 수 있습니다. 연구자들은 불가능한 방정식으로 어려움을 겪는 대신 TMD 샌드위치에 전자를 풀어 놓고 그들이 무엇을 했는지 확인할 수 있었습니다. MacDonald는 "우리는 이 모델을 작성할 수 있지만 많은 중요한 질문에 답하기가 매우 어렵습니다."라고 말했습니다. “이제 우리는 단지 실험을 통해서 그것을 할 수 있습니다. 정말 획기적인 일이군요.”
Hubbard 모델 시뮬레이터를 구축하기 위해 Shan과 Mak은 이셀레나이드 텅스텐과 황화 텅스텐 층을 쌓아 모아레 초격자를 만들고 전극을 부착하여 TMD 샌드위치를 통과하는 전기장을 위아래로 조정했습니다. 전기장은 각 슈퍼셀을 채울 전자의 수를 제어했습니다. 세포는 거대한 원자처럼 행동하기 때문에 슈퍼셀당 전자 1개에서 전자 2개로 이동하는 것은 수소 원자 격자를 헬륨 원자 격자로 변환하는 것과 같습니다. 그들의 최초의 허바드 모델 출판 in 자연 2020년 1.38월에 그들은 최대 XNUMX개의 전자로 원자를 시뮬레이션하는 것을 보고했습니다. 오늘날에는 최대 XNUMX개까지 올라갈 수 있습니다. 어떤 의미에서 그들은 납을 금으로 바꾸려는 고대의 목표를 실현한 것입니다. Mak은 "주기율표를 살펴보는 것과 같은 화학 조율과 같습니다"라고 말했습니다. 원칙적으로 그들은 각각 XNUMX개의 전자를 가진 가상의 원자 격자를 만들어 낼 수도 있습니다.
다음으로 연구진은 인공 원자의 심장을 살펴보았습니다. 더 많은 전극을 사용하면 거대한 합성 원자의 중심에 양성자를 추가하는 것과 유사한 변화를 만들어 슈퍼셀의 "잠재력"을 제어할 수 있습니다. 핵이 더 많은 전하를 가질수록 전자가 터널링되기가 더 어려워지므로 이 전기장은 전자가 호핑 경향을 높이거나 낮출 수 있게 해줍니다.
Mak과 Shan의 거대 원자 제어, 즉 허바드 모델이 완성되었습니다. TMD 모아레 시스템을 사용하면 자연에 존재하지 않는 대용 원자 격자를 소환하여 원하는 대로 부드럽게 변형할 수 있습니다. 이는 해당 분야의 다른 연구자들에게도 마법과도 같은 힘입니다. 김씨는 “그들의 가장 흥미롭고 인상적인 노력을 꼽으라면 바로 그것이다”고 말했다.
코넬 그룹은 신속하게 디자이너 원자를 사용하여 70년 된 논쟁을 해결했습니다. 문제는 절연체의 원자를 비틀어 전도성 금속으로 바꿀 수 있다면 어떨까 하는 것이었습니다. 전환이 점진적으로 일어날까요, 아니면 갑자기 일어날까요?
모아레 연금술을 사용하여 Shan과 Mak은 연구실에서 사고 실험을 수행했습니다. 먼저 그들은 TMD 초격자가 절연체처럼 작용하도록 전자를 가두는 중원자를 시뮬레이션했습니다. 그런 다음 원자를 축소하여 전자가 자유로 이동할 수 있게 될 때까지 트랩을 약화시켜 초격자를 전도성 금속으로 만들었습니다. 초격자가 점점 더 금속처럼 작용함에 따라 점차적으로 떨어지는 전기 저항을 관찰함으로써 그들은 전이가 갑작스럽지 않다는 것을 보여주었습니다. 이 발견은 그들은 발표했다 in 자연 작년에 초격자의 전자가 오랫동안 추구해 온 유형의 유동성을 달성할 수 있는 가능성이 열렸습니다. 양자 스핀 액체. Mak은 “이것이 해결 가능한 가장 흥미로운 문제일 수 있습니다.”라고 말했습니다.
거의 동시에, 부부는 일부 물리학자들이 자신들의 가장 중요한 발견이라고 생각하는 것을 발견했습니다. Mak은 "실제로는 완전 사고였습니다."라고 말했습니다. “아무도 예상하지 못했습니다.”
허바드 시뮬레이터 연구를 시작했을 때 연구원들은 두 층의 육각형이 정렬되어 전이 금속 위에 전이 금속이 있고 칼코겐화물 위에 칼코겐화물이 있는 TMD 샌드위치를 사용했습니다. (그때 그들은 절연체에서 금속으로의 점진적인 전이를 발견했습니다.) 그리고 우연히 최상층이 뒤로 쌓인 장치로 실험을 반복했습니다.
이전과 마찬가지로 전자가 뛰기 시작하면서 저항이 떨어지기 시작했습니다. 그러나 갑자기 급락하여 너무 낮아져서 연구자들은 모아레가 초전도를 시작했는지 궁금해했습니다. 하지만 더 자세히 살펴보면, 희귀한 저항 패턴을 측정했습니다. 양자 변칙 홀 효과로 알려져 있으며, 더 이상한 일이 진행되고 있다는 증거입니다. 그 효과는 장치의 결정 구조가 재료의 가장자리를 따라 전자가 중앙의 전자와 다르게 작동하도록 강제한다는 것을 나타냅니다. 소자 중간에는 전자가 절연 상태에 갇혀 있었다. 그러나 주변부에서는 한 방향으로 흐르기 때문에 저항이 매우 낮습니다. 우연히 연구원들은 Chern 절연체로 알려진 매우 특이하고 깨지기 쉬운 유형의 물질을 만들었습니다.
양자 변칙 홀 효과, 2013 년에 처음 관찰 됨, 일반적으로 온도가 수백분의 2019켈빈 이상으로 올라가면 분해됩니다. XNUMX년에 산타바바라에 있는 Young의 그룹은 그것을 보았습니다. 일회용 트위스트 그래핀 샌드위치 약 5켈빈. 이제 Shan과 Mak은 거의 동일한 온도에서 누구나 재현할 수 있는 비틀림 없는 TMD 장치를 사용하여 효과를 달성했습니다. Young은 “우리의 온도는 더 높았지만 10번 연속으로 할 수 있기 때문에 언제든지 그 온도를 사용하겠습니다.”라고 말했습니다. 이는 당신이 그것을 이해하고 "실제로 무언가를 하기 위해 그것을 사용할" 수 있다는 것을 의미합니다.
Mak과 Shan은 약간의 조작만 하면 TMD 모아레 재료를 사용하여 50~100켈빈까지 견디는 Chern 절연체를 만들 수 있다고 믿습니다. 만약 성공한다면, 이 작업은 저항 없이 전류를 흐르게 하는 또 다른 방법으로 이어질 수 있습니다. 적어도 장치 내의 특정 위치에서 스위치를 켜고 끌 수 있는 작은 "나노와이어"의 경우 말입니다.
플랫랜드 탐험
획기적인 결과가 쌓여도 부부는 주춤할 기미를 보이지 않습니다. 내가 방문했던 날, Mak은 학생들이 지금까지 작업했던 것보다 수천 배 더 낮은 온도까지 장치를 냉각시킬 수 있는 우뚝 솟은 희석 냉장고를 만지작거리는 모습을 지켜보았습니다. "따뜻한" 조건에서 발견할 물리학이 너무 많아서 그룹은 초전도의 징후를 찾기 위해 더 깊은 극저온 영역을 철저히 검색할 기회가 없었습니다. 슈퍼 냉장고가 TMD의 초전도를 허용한다면 이는 또 다른 질문에 대한 답이 될 것입니다. 큐프레이트에 내재된 자성의 한 형태 (그러나 TMD에는 없음)은 전자 결합 접착제의 필수 성분은 아닙니다. "그것은 이론가들이 오랫동안 정말로 죽이고 싶었던 중요한 구성 요소 중 하나를 죽이는 것과 같습니다"라고 Mak은 말했습니다.
그와 Shan 그리고 그들의 그룹은 더 펑키한 TMD를 실험하기조차 시작하지 않았습니다. 2D 재료 대륙을 이동하는 데 필요한 장비를 발명하는 데 수년을 보낸 후 마침내 2010년에 착륙한 이황화 몰리브덴 교두보를 넘어서는 모험을 준비하고 있습니다.
두 연구자는 그들의 성공이 콜롬비아에서 흡수한 협력 문화에 기인한다고 생각합니다. 이황화몰리를 소개한 Hone과의 초기 협력은 그들이 호기심을 자유롭게 따라갈 수 있었기 때문에 그들이 즐겼던 많은 기회 중 하나에 불과했다고 그들은 말합니다. Shan은 “우리는 연구실 책임자인 Heinz와 그들의 계획을 논의할 필요가 없었습니다”라고 말했습니다. “우리는 다른 그룹의 사람들과 이야기를 나눴습니다. 우리는 실험을 했습니다. 우리는 일을 마무리하기도 했습니다.”
오늘날 그들은 코넬에서도 비슷하게 편안한 환경을 조성하고 있으며, 그곳에서 수십 명의 박사후 연구원을 감독하고 연구원과 학생을 방문하며 모두 자유롭게 자신의 일을 할 수 있습니다. Mak은 “학생들은 매우 똑똑하고 좋은 아이디어를 가지고 있습니다.”라고 말했습니다. "때때로 당신은 방해하고 싶지 않을 때도 있습니다."
그들의 결혼은 또한 그들의 연구실을 독특하게 만듭니다. 두 사람은 각자의 개인적인 강점에 의지하는 법을 배웠습니다. 실험가로서의 풍부한 창의성 외에도 Shan은 그녀를 훌륭한 관리자로 만드는 신중한 규율을 보유하고 있습니다. 우리 셋이 이야기를 나누는 동안, 물리학에 대한 그의 열정이 그를 너무 전문적인 분야로 몰아넣자 그녀는 “파이 교수”를 다시 정상 궤도로 밀어넣는 경우가 많았습니다. Mak은 연구실 안팎에서 신진 연구자들과 함께 일하는 것을 즐깁니다. 그는 최근 그룹과 함께 암벽등반을 시작했습니다. 영은 “그들의 연구실이 가족인 것 같다”고 말했다. Shan과 Mak은 혼자 할 수 있는 것보다 함께 할 때 더 많은 것을 성취할 수 있다고 말했습니다. Mak은 “1 더하기 1은 2 이상입니다.”라고 말했습니다.
그들이 만들고 있는 장치는 부품의 합보다 더 많이 쌓일 수도 있습니다. 연구자들은 TMD 시트를 함께 결합하여 엑시톤과 모아레 초격자를 생성하면서 전자를 길들이는 새로운 방법이 어떻게 기술을 과급할 수 있는지 추측합니다. 주머니에 넣을 수 있는 초전도성이 여전히 파악하기 어렵더라도 보스-아인슈타인 응축물은 매우 민감한 양자 센서로 이어질 수 있으며 Chern과 같은 절연체를 더 잘 제어하면 가능해집니다. 강력한 양자 컴퓨터. 그리고 그것은 단지 명백한 아이디어일 뿐입니다. 재료 과학의 점진적인 개선은 종종 거의 볼 수 없는 급진적인 응용 프로그램을 추가합니다. 예를 들어, 트랜지스터를 개발한 연구자들은 손톱 크기의 칩에 내장된 수십억 개의 미세한 스위치로 구동되는 스마트폰을 예측하는 데 어려움을 겪었을 것입니다. 그리고 실험실 벤치 전체에 빛을 전달할 수 있는 유리 섬유를 만들기 위해 노력한 과학자들은 10,000km 길이의 해저 광섬유가 언젠가 대륙을 연결하게 될 것이라고는 예상할 수 없었습니다. XNUMX차원 물질도 마찬가지로 예측할 수 없는 방향으로 진화할 수 있습니다. Heinz는 "정말 새로운 재료 플랫폼은 기존 재료를 대체하는 것이 아니라 자체 응용 프로그램을 생성합니다."라고 말했습니다.
나를 이타카 버스 정류장으로 데려가는 동안 Shan과 Mak은 최근에 캐나다 밴프로 떠났던 (그리고 드문) 휴가에 대해 이야기해 주었습니다. 그곳에서 그들은 노력과 행운이 어우러져 놀라움에 휘말리는 재주를 다시 한 번 보여주었습니다. 그들은 곰을 찾으려고 며칠을 보냈지만 헛수고였습니다. 그러다가 여행을 마치고 공항으로 가는 길에 식물 보호구역에 들러 다리를 쭉 뻗고 있었는데, 우연히 흑곰과 마주하게 되었습니다.
마찬가지로, 응집 물질 물리학의 경우 그들의 접근 방식은 새로운 풍경에서 함께 돌아다니면서 무엇이 나타나는지 확인하는 것입니다. "우리는 이론적인 지침이 별로 없지만 실험을 하면서 놀기만 합니다."라고 Mak은 말했습니다. “실패할 수도 있지만 때로는 예상치 못한 일에 부딪힐 수도 있습니다.”
