Molybdeniet lijkt, zelfs voor het geoefende oog, bijna identiek aan grafiet - een glanzend, zilverachtig kristal. Het werkt ook op dezelfde manier, vlokken afwerpen op een manier die zou zorgen voor een goede potloodvulling. Maar voor een elektron vormen de twee roosters van atomen verschillende werelden. Het onderscheid kwam 244 jaar geleden voor het eerst in het wetenschappelijke record. Carl Scheele, een Zweedse chemicus die bekend staat om zijn ontdekking van zuurstof, dompelde elk mineraal onder in verschillende zuren en keek naar de lugubere gaswolken die opstegen. Scheele, die deze aanpak uiteindelijk met zijn leven betaalde en stierf aan vermoedelijke vergiftiging door zware metalen op 43-jarige leeftijd, concludeerde dat molybdeniet een nieuwe stof was. Hij beschreef het in een brief aan de Koninklijke Zweedse Academie van Wetenschappen in 1778 en schreef: "Ik verwijs hier niet naar het algemeen bekende grafiet dat men bij de apotheek kan kopen. Dit overgangsmetaal schijnt onbekend te zijn.”
Met zijn neiging om in poederachtige fragmenten te schilferen, werd molybdeniet in de 20e eeuw een populair smeermiddel. Het hielp ski's verder door de sneeuw te glijden en maakte de uitgang van kogels uit geweerlopen in Vietnam glad.
Tegenwoordig voedt diezelfde schilfering een natuurkundige revolutie.
De doorbraken begonnen met grafiet en plakband. Onderzoekers ontdekten in 2004 bij toeval dat ze tape konden gebruiken om grafietvlokken van slechts één atoom dik af te pellen. Deze kristallijne platen, elk een platte reeks koolstofatomen, hadden verbazingwekkende eigenschappen die radicaal anders waren dan die van de driedimensionale kristallen waaruit ze kwamen. Grafeen (zoals de ontdekkers het noemden) was een geheel nieuwe categorie stoffen - een 2D-materiaal. De ontdekking veranderde de fysica van de gecondenseerde materie, de tak van de natuurkunde die de vele vormen en gedragingen van materie probeert te begrijpen. Bijna half van alle natuurkundigen zijn fysici van de gecondenseerde materie; het is het subveld dat ons computerchips, lasers, led-lampen, MRI-machines, zonnepanelen en allerlei moderne technologische wonderen bracht. Na de ontdekking van grafeen begonnen duizenden fysici van de gecondenseerde materie het nieuwe materiaal te bestuderen, in de hoop dat het toekomstige technologieën zou ondersteunen.
De ontdekkers van grafeen ontvingen in 2010 de Nobelprijs voor natuurkunde. Datzelfde jaar kregen twee jonge natuurkundigen van de Columbia University, Jie Shan en Kin Fai Mak, zag tekenen dat vlokken molybdeniet misschien nog magischer zijn dan grafeen. Het minder bekende mineraal heeft eigenschappen die het moeilijk maken om te bestuderen - te zwaar voor veel laboratoria - maar het fascineerde Shan en Mak. Het vasthoudende duo wijdde bijna een decennium aan het ruziën van 2D-molybdeniet (of molybdeendisulfide, zoals de in het laboratorium gekweekte versie van het kristal wordt genoemd) en een familie van nauw verwante 2D-kristallen.
Nu werpen hun inspanningen vruchten af. Shan en Mak, die nu getrouwd zijn en een gezamenlijke onderzoeksgroep leiden aan de Cornell University, hebben aangetoond dat 2D-kristallen van molybdeendisulfide en zijn verwanten aanleiding kunnen geven tot een enorme verscheidenheid aan exotische kwantumverschijnselen. "Het is een gekke speeltuin," zei James Hone, een onderzoeker in Columbia die het Cornell-lab voorziet van hoogwaardige kristallen. "Je kunt alle moderne fysica van de gecondenseerde materie in één materiaalsysteem doen."
De groep van Shan en Mak heeft elektronen vastgelegd die zich op ongekende manieren gedragen in deze platte kristallen. Ze hebben de deeltjes overgehaald om samen te smelten tot een kwantumvloeistof en te bevriezen tot een assortiment van ijsachtige structuren. Ze hebben geleerd roosters van gigantische kunstmatige atomen samen te stellen die nu dienen als proeftuinen voor fundamentele theorieën over materie. Sinds de opening van hun Cornell-lab in 2018 hebben de meester-elektronentemmers een oogverblindende acht artikelen gepubliceerd in NATUUR, het meest prestigieuze tijdschrift in de wetenschap, evenals een hele reeks andere artikelen. Theoretici zeggen dat het paar het begrip van waartoe massa's elektronen in staat zijn uitbreidt.
Hun onderzoek "is in veel opzichten zeer indrukwekkend", zei Filip Kim, een vooraanstaand fysicus van de gecondenseerde materie aan de Harvard University. "Het is, zou ik zeggen, sensationeel."
Opkomst van 2D-materialen
De eigenschappen van een materiaal weerspiegelen over het algemeen wat de elektronen aan het doen zijn. In geleiders zoals metalen, bijvoorbeeld, varen elektronen gemakkelijk tussen atomen en dragen ze elektriciteit. In isolatoren zoals hout en glas blijven elektronen zitten. Halfgeleiders zoals silicium vallen er tussenin: hun elektronen kunnen worden gedwongen te bewegen met een instroom van energie, waardoor ze ideaal zijn voor het in- en uitschakelen van stromen - het werk van een transistor. In de afgelopen 50 jaar hebben fysici van de gecondenseerde materie, naast deze drie fundamentele elektronengedragingen, gezien dat de lichtgewicht geladen deeltjes zich op veel meer exotische manieren gedroegen.
Een van de meest dramatische verrassingen kwam in 1986, toen twee IBM-onderzoekers, Georg Bednorz en Alex Müller, gedetecteerd een stroom van elektronen die zonder enige weerstand door een koperoxide ("cuprate") kristal bewegen. Deze supergeleiding - het vermogen van elektriciteit om met perfecte efficiëntie te stromen - was eerder gezien, maar alleen om welbegrepen redenen in materialen die waren afgekoeld tot binnen enkele graden van het absolute nulpunt. Deze keer observeerden Bednorz en Müller een mysterieuze vorm van het fenomeen dat aanhield bij een recordbrekende 35 kelvin (dat wil zeggen 35 graden boven het absolute nulpunt). Wetenschappers ontdekten al snel andere cuprates die supergeleiden boven de 100 kelvin. Een droom werd geboren die misschien wel het belangrijkste doel van de fysica van de gecondenseerde materie vandaag de dag blijft: het vinden of ontwikkelen van een stof die elektriciteit kan supergeleiden in onze hete wereld van ongeveer 300 kelvin, waardoor verliesloze hoogspanningsleidingen, zwevende voertuigen en andere hyperefficiënte apparaten mogelijk worden. zou de energiebehoefte van de mensheid aanzienlijk verminderen.
De sleutel tot supergeleiding is het overhalen van elektronen, die elkaar normaal gesproken afstoten, om te paren en entiteiten te vormen die bekend staan als bosonen. Bosonen kunnen dan collectief versmelten tot een wrijvingsloze kwantumvloeistof. Aantrekkingskrachten die bosonen creëren, zoals atomaire trillingen, kunnen normaal gesproken alleen de afstoting van elektronen overwinnen bij cryogene temperaturen of hoge drukken. Maar de noodzaak van deze extreme omstandigheden heeft verhinderd dat supergeleiding zijn weg vindt naar alledaagse apparaten. De ontdekking van cupraten wekte de hoop dat het juiste atoomrooster elektronen zo stevig aan elkaar zou kunnen "lijmen" dat ze zelfs bij kamertemperatuur vast zouden blijven zitten.
40 jaar na de ontdekking van Bednorz en Müller weten theoretici nog steeds niet helemaal zeker hoe de lijm in cuprates werkt, laat staan hoe ze de materialen moeten aanpassen om het te versterken. Veel onderzoek in de fysica van de gecondenseerde materie is dus een zoektocht met vallen en opstaan naar kristallen die hun elektronen gepaard kunnen houden of elektronen op andere wonderbaarlijke manieren begeleiden. "Gecondenseerde materie is een tak van de natuurkunde die serendipiteiten mogelijk maakt", zei Kim. Dat was de ontdekking van 2004D-materialen in 2.
Andre Geim en Konstantin Novoselov, werkend met grafiet aan de Universiteit van Manchester in het Verenigd Koninkrijk, ontdekt een schokkend gevolg van de schilfering van het materiaal. Een grafietkristal bevat koolstofatomen die zijn gerangschikt in losjes gebonden vellen van zeshoeken. Theoretici hadden lang voorspeld dat zonder de stabiliserende invloed van de stapel, warmte-geïnduceerde trillingen een eenlaagse plaat zouden breken. Maar Geim en Novoselov ontdekten dat ze stabiele, atomair dunne vellen konden afpellen met weinig meer dan plakband en doorzettingsvermogen. Grafeen was het eerste echt platte materiaal - een vlak waarop elektronen kunnen schuiven, maar niet op en neer.
Hone, de natuurkundige van Columbia, ontdekte dat 's werelds dunste materiaal op de een of andere manier... ook de sterkste. Het was een opmerkelijke schok voor een materiaal waarvan theoretici dachten dat het helemaal niet bij elkaar zou passen.
Wat natuurkundigen het meest intrigeerde over grafeen, was hoe de koolstofvlakten elektronen transformeerden: niets kon ze vertragen. Elektronen worden vaak gestruikeld door het rooster van atomen waardoor ze bewegen, en handelen zwaarder dan hun leerboekmassa (de onbeweeglijke elektronen van een isolator werken alsof ze een oneindige massa hebben). Het platte rooster van grafeen laat elektronen echter rondsuizen met een miljoen meter per seconde - slechts een paar honderd keer langzamer dan de snelheid van het licht. Met die constante, zinderende snelheid vlogen de elektronen alsof ze helemaal geen massa hadden, grafeen zegenend met extreme (maar niet super) geleidbaarheid.
Rondom het wondermateriaal ontstond een heel veld. Onderzoekers begonnen ook breder te denken. Kunnen 2D-vlokken van andere stoffen hun eigen superkrachten bevatten? Hone was een van degenen die vertakte. In 2009 mat hij enkele mechanische eigenschappen van de dubbelganger van grafiet, molybdeendisulfide, en gaf het kristal vervolgens door aan twee optische specialisten in het Columbia-lab van Tony Heinz. Het was een toevallige zet die de carrières van alle betrokkenen zou veranderen.
Het molybdeendisulfidemonster kwam in de handen van Jie Shan, een gastprofessor in het begin van haar carrière, en Kin Fai Mak, een afgestudeerde student. Het jonge duo bestudeerde hoe grafeen interageert met licht, maar ze begonnen al te dagdromen over andere materialen. De snelle elektronen van grafeen maken het tot een fantastische geleider, maar wat ze wilden was een 2D-halfgeleider - een materiaal waarvan ze de elektronenstroom konden in- en uitschakelen en dat daarom als transistor kon dienen.
Molybdeendisulfide stond bekend als een halfgeleider. En Shan en Mak kwamen er al snel achter dat het, net als grafiet, extra krachten kreeg in 2D. Toen ze een laser op 3D-kristallen van "moly disulfide" (zoals ze het liefkozend noemen) richtten, bleven de kristallen donker. Maar toen Shan en Mak lagen met plakband eraf scheurden, er met een laser op sloegen en ze onder een microscoop onderzochten, zagen ze de 2D-vellen fel glanzen.
Onderzoek van andere groepen zou later bevestigen dat goed gemaakte platen van een nauw verwant materiaal elk laatste foton weerspiegelen dat hen raakt. 'Dat is nogal verbijsterend,' zei Mak onlangs, toen ik hem en Shan ontmoette in hun gedeelde kantoor in Cornell. "Je hebt maar een enkel vel atomen en het kan 100% van het licht reflecteren als een perfecte spiegel." Ze realiseerden zich dat deze eigenschap zou kunnen leiden tot spectaculaire optische apparaten.
Onafhankelijk, Feng Wang, een natuurkundige aan de University of California, Berkeley, deed dezelfde ontdekking. Een 2D-materiaal dat sterk reflecterend was en een halfgeleider om op te starten, trok de aandacht van de gemeenschap. Te gebruiken zowel groepen publiceerden hun bevindingen in 2010; de kranten hebben sindsdien meer dan 16,000 citaten ontvangen. "Iedereen met lasers begon erg geïnteresseerd te raken in 2D-materialen," zei Hone.
Door molydisulfide te identificeren als een tweede 2D-wondermateriaal, waren de twee groepen aan land gekomen op een heel continent van 2D-materialen. Molydisulfide behoort tot een familie van stoffen die bekend staat als overgangsmetaaldichalcogeniden (TMD's), waarin atomen uit het metallische middengebied van het periodiek systeem, zoals molybdeen, zich verbinden met paren chemische verbindingen die bekend staan als chalcogeniden, zoals zwavel. Molydisulfide is de enige natuurlijk voorkomende TMD, maar er zijn tientallen meer die onderzoekers in laboratoria kunnen maken - wolfraamdisulfide, molybdeenditelluride enzovoort. De meeste vormen zwak ingebonden vellen, waardoor ze gevoelig zijn voor de zakelijke kant van een stukje tape.
De eerste golf van opwinding ebde echter snel weg toen onderzoekers worstelden om TMD's meer te laten doen dan alleen schijnen. Wang's groep viel bijvoorbeeld terug op grafeen nadat ze hadden ontdekt dat ze metalen elektroden niet gemakkelijk aan molydisulfide konden bevestigen. "Dat is al een aantal jaren het struikelblok voor onze groep", zei hij. “Zelfs nu zijn we niet zo goed in contact maken.” Het leek erop dat het belangrijkste voordeel van TMD's ten opzichte van grafeen ook hun grootste zwakte was: om de elektronische eigenschappen van een materiaal te bestuderen, moeten onderzoekers er vaak elektronen in duwen en de weerstand van de resulterende stroom meten. Maar omdat halfgeleiders slechte geleiders zijn, is het moeilijk om elektronen in of uit te krijgen.
Mak en Shan voelden zich aanvankelijk ambivalent. "Het was echt onduidelijk of we aan grafeen moesten blijven werken of aan dit nieuwe materiaal moesten werken", zei Mak. "Maar sinds we ontdekten dat het deze mooie eigenschap heeft, zijn we doorgegaan met het doen van nog een paar experimenten."
Terwijl ze werkten, raakten de twee onderzoekers steeds meer betoverd door molydisulfide en door elkaar. Aanvankelijk was hun contact professioneel, grotendeels beperkt tot onderzoeksgerichte e-mails. “Fai vroeg vaak: 'Waar is dat apparaat? Waar heb je dat gelaten?'” zei Shan. Maar uiteindelijk werd hun relatie, bebroed door lange uren en gekatalyseerd door experimenteel succes, romantisch. "We zagen elkaar gewoon te vaak, letterlijk in hetzelfde lab aan hetzelfde project werken", zei Mak. “Het zeer goed verlopende project maakte ons ook blij.”
Alle natuurkunde de hele tijd
Er zou een samenwerking nodig zijn tussen twee toegewijde natuurkundigen met ijzeren discipline om de lastige TMD's onder de knie te krijgen.
Academici kwamen altijd gemakkelijk naar Shan. Ze groeide op in de jaren zeventig in de kustprovincie Zhejiang, was een sterstudent, blonk uit in wiskunde, wetenschappen en taal en verdiende een felbegeerde plek aan de Universiteit voor Wetenschap en Technologie van China in Hefei. Daar kwalificeerde ze zich voor een selectief cultureel uitwisselingsprogramma tussen China en de Sovjet-Unie, en greep ze de kans om Russisch en natuurkunde te studeren aan de Staatsuniversiteit van Moskou. "Als tiener sta je te popelen om de wereld te verkennen," zei ze. "Ik heb geen moment getwijfeld."
Ze zag meteen meer van de wereld dan ze had verwacht. Visa-problemen vertraagden haar aankomst in Rusland met een paar maanden, en ze verloor haar plaats in het taalprogramma. De autoriteiten vonden haar een andere koers en kort na de landing in Moskou stapte ze op een trein en reisde 5,000 kilometer naar het oosten. Drie dagen later arriveerde ze in het begin van de winter in de stad Irkoetsk in het midden van Siberië. "Het advies dat ik kreeg was: 'raak nooit iets aan zonder handschoenen'", zei ze.
Shan hield haar handschoenen aan, leerde in één semester Russisch en begon de grimmige schoonheid van het winterse landschap te waarderen. Toen de cursus eindigde en de sneeuw smolt, keerde ze terug naar de hoofdstad om haar natuurkundestudie te beginnen. Ze arriveerde in Moskou in het voorjaar van 1990, midden in het uiteenvallen van de Sovjet-Unie.
Het waren chaotische jaren. Shan zag tanks door de straten rollen in de buurt van de universiteit terwijl communisten probeerden de controle over de regering terug te krijgen. Bij een andere gelegenheid, net na een eindexamen, braken er gevechten uit. "We konden geweerschoten horen en we kregen te horen dat we de lichten in de slaapzaal uit moesten doen", zei ze. Alles, van eten tot toiletpapier, werd gerantsoeneerd via een couponsysteem. Desalniettemin voelde Shan zich geïnspireerd door de veerkracht van haar professoren, die ondanks de onrust doorgingen met hun onderzoek. “De omstandigheden waren zwaar, maar veel wetenschappers hadden zo'n houding. Ze houden echt van wat ze doen, ondanks wat er gaande is,” zei ze.
Toen de wereldorde instortte, onderscheidde Shan zich door een theoretisch opticapapier te publiceren dat Heinz' aandacht trok in Columbia. Hij moedigde haar aan om te solliciteren en ze verhuisde naar New York, waar ze af en toe andere internationale studenten hielp om voet aan de grond te krijgen in het buitenland. Ze rekruteerde Wang bijvoorbeeld om in het lab van Heinz te werken en deelde experimentele tips. "Ze leerde me geduldig te zijn," zei hij, en "hoe ik niet gefrustreerd kon raken door de laser."
De meeste onderzoekers nemen een postdoctorale positie in na het behalen van hun doctoraat, maar Shan trad in 2001 rechtstreeks toe tot Case Western Reserve University als universitair hoofddocent. Enkele jaren later keerde ze op een sabbatical terug naar Heinz's lab in Columbia. Voor een keer was haar timing toevallig. Ze begon samen te werken met een charmante en opgewekte afgestudeerde student in Heinz' groep, Kin Fai Mak.
Mak had een ander, minder tumultueus pad gevolgd naar New York City. Toen hij opgroeide in Hong Kong, worstelde hij op school, zoals weinig anders dan natuurkunde hem zinde. "Het was het enige wat ik leuk vond en waar ik echt goed in was, dus ik koos natuurkunde", zei hij.
Zijn niet-gegradueerde onderzoek aan de Universiteit van Hong Kong viel op en Heinz rekruteerde hem om deel te nemen aan Columbia's bloeiende gecondenseerde materie-fysica-programma. Daar stortte hij zich op onderzoek en bracht hij bijna al zijn wakkere uren door in het laboratorium, behalve af en toe een potje intramuraal voetbal. Andrea Young, een medestudent (nu een assistent-professor aan de Universiteit van Californië, Santa Barbara), deelde een appartement met Mak op West 113th Street. “Ik had geluk als ik hem om twee uur 's nachts kon pakken om wat pasta te koken en over natuurkunde te praten. Het was de hele tijd allemaal natuurkunde', zei Young.
Maar de goede tijden bleven niet duren. Kort na een excursie naar het Amazone regenwoud in Colombia met Young, werd Mak ziek. Zijn artsen wisten niet goed wat ze moesten denken van zijn raadselachtige testresultaten en hij werd zieker. Een gelukkig toeval redde zijn leven. Young beschreef de situatie aan zijn vader, een medisch onderzoeker, die onmiddellijk de tekenen van aplastische anemie herkende - een ongebruikelijke bloedaandoening die toevallig het onderwerp was van zijn eigen onderzoek. "Het is eigenlijk heel zeldzaam om deze ziekte te krijgen, in de eerste plaats," zei Mak. "En nog zeldzamer om een ziekte te krijgen waar de vader van je kamergenoot een expert in is."
Young's vader hielp Mak om zich in te schrijven voor experimentele behandelingen. Hij bracht een groot deel van zijn laatste jaar van de graduate school door in het ziekenhuis en kwam verschillende keren dicht bij de dood. Gedurende de hele beproeving dreef Maks ijver voor natuurkunde hem aan te blijven werken. "Hij was aan het schrijven" PRL brieven van zijn ziekenhuisbed,” zei Young, verwijzend naar het journaal Physical Review Letters. "Ondanks dit alles was hij een van de meest productieve studenten ooit", zegt Heinz. "Het was een soort wonder."
Verdere behandelingen hielpen Mak uiteindelijk om volledig te herstellen. Young, zelf een bekende experimentator, zou later grappen over zijn interventies: "Onder vrienden noem ik het mijn grootste bijdrage aan de natuurkunde."
In de 2D-wildernis
Mak stapte in 2012 over naar Cornell als postdoctoraal onderzoeker. Shan was toen al teruggekeerd naar Case Western. Ze voerden individuele projecten uit met grafeen en andere materialen, maar gingen ook door met het samen ontsluiten van verdere geheimen van de TMD's.
Bij Cornell leerde Mak de kunst van het meten van elektronentransport - de andere belangrijke manier om de beweging van elektronen te bepalen, naast optica. Deze expertise maakte van hem en Shan een dubbele bedreiging op een gebied waar onderzoekers zich doorgaans specialiseren in het ene of het andere type. "Als ik Fai en Jie ontmoet, klaag ik: 'Het is oneerlijk dat jullie vervoeren'", zei Kim. "Wat moet ik doen?"
Hoe meer het duo leerde over TMD's, hoe intrigerender ze werden. Onderzoekers richten zich meestal op een van de twee eigenschappen van elektronen: hun lading en spin (of intrinsiek impulsmoment). Het beheersen van de stroom van elektrische lading is de basis van moderne elektronica. En de spin van elektronen kan leiden tot 'spintronica'-apparaten die meer informatie in kleinere ruimtes verpakken. In 2014, Mak hielp ontdekken dat elektronen in 2D-molydisulfide een speciale, derde eigenschap kunnen krijgen: deze elektronen moeten bewegen met specifieke hoeveelheden momentum, een controleerbaar attribuut dat bekend staat als "vallei" waarvan onderzoekers speculeren dat het nog een derde veld van "valleytronics" -technologie zou kunnen voortbrengen.
Datzelfde jaar ontdekten Mak en Shan nog een opvallend kenmerk van TMD's. Elektronen zijn niet de enige entiteiten die door een kristal bewegen; natuurkundigen volgen ook 'gaten', de vacatures die ontstaan wanneer elektronen ergens anders heen springen. Deze gaten kunnen als echte positief geladen deeltjes door een materiaal zwerven. Het positieve gat trekt een negatief elektron aan om een vluchtig partnerschap te vormen, bekend als een exciton, op het moment voordat het elektron het gat afsluit. Shan en Mak de aantrekkingskracht gemeten tussen elektronen en gaten in 2D wolfraamdiselenide en vond het honderden keren sterker dan in een typische 3D-halfgeleider. De bevinding suggereerde dat excitonen in TMD's bijzonder robuust zouden kunnen zijn, en dat elektronen over het algemeen meer geneigd waren allerlei rare dingen te doen.
Het stel verwierf samen posities aan de Pennsylvania State University en begon daar een laboratorium. Eindelijk overtuigd dat TMD's het waard waren om hun carrière op te wedden, maakten ze de materialen tot de focus van hun nieuwe groep. Ze zijn ook getrouwd.
Ondertussen zag Hone's team in Columbia de eigenschappen van grafeen nog extremer worden toen ze het bovenop een hoogwaardige isolator, boornitride, plaatsten. Het was een vroeg voorbeeld van een van de meest nieuwe aspecten van 2D-materialen: hun stapelbaarheid.
Leg het ene 2D-materiaal op het andere en de lagen zullen een fractie van een nanometer uit elkaar zitten - helemaal geen afstand vanuit het perspectief van hun elektronen. Hierdoor versmelten gestapelde vellen effectief tot één substantie. "Het zijn niet zomaar twee materialen samen," zei Wang. “Je creëert echt een nieuw materiaal.”
Terwijl grafeen uitsluitend uit koolstofatomen bestaat, brengt de diverse familie van TMD-roosters tientallen extra elementen in het stapelspel. Elke TMD heeft zijn eigen intrinsieke mogelijkheden. Sommige zijn magnetisch; anderen supergedrag. Onderzoekers keken er naar uit om ze te mixen en matchen met modematerialen met hun gecombineerde krachten.
Maar toen de groep van Hone molydisulfide op een isolator plaatste, vertoonden de eigenschappen van de stapel een matige winst in vergelijking met wat ze in grafeen hadden gezien. Uiteindelijk realiseerden ze zich dat ze de kwaliteit van de TMD-kristallen niet hadden gecontroleerd. Toen ze enkele collega's hun molydisulfide onder een microscoop lieten plakken die individuele atomen kan oplossen, waren ze verbluft. Sommige atomen zaten op de verkeerde plaats, terwijl andere helemaal verdwenen waren. Maar liefst 1 op de 100 roosterplaatsen had een probleem, waardoor het vermogen van het rooster om elektronen te sturen, werd belemmerd. Grafeen daarentegen was het beeld van perfectie, met ongeveer één defect per miljoen atomen. "Eindelijk realiseerden we ons dat de spullen die we hadden gekocht complete rommel waren," zei Hone.
Rond 2016 besloot hij zich toe te leggen op het kweken van TMD's van onderzoekskwaliteit. Hij rekruteerde een postdoc, Daniel Rhodos, met ervaring in het kweken van kristallen door poeders van grondstoffen te smelten bij extreem hoge temperaturen en ze vervolgens in een glaciaal tempo af te koelen. "Het is als het kweken van kandijsuiker uit suiker in water," legde Hone uit. Het nieuwe proces duurde een maand, vergeleken met een paar dagen voor commerciële methoden. Maar het produceerde TMD-kristallen honderden tot duizenden keren beter dan die in chemische catalogi te koop zijn.
Voordat Shan en Mak hun voordeel konden doen met de steeds zuiverder wordende kristallen van Hone, stonden ze voor de niet-glamoureuze taak om uit te zoeken hoe ze moesten werken met microscopisch kleine vlokken die niet graag elektronen accepteren. Om elektronen in te pompen (de basis van de transporttechniek die Mak als postdoc had opgepikt), was het stel geobsedeerd door talloze details: welk type metaal voor de elektrode, hoe ver van het TMD om het te plaatsen, zelfs welke chemicaliën gebruik om de contacten schoon te maken. Het uitproberen van de eindeloze manieren om elektroden op te stellen was traag en arbeidsintensief - "een tijdrovend proces om dit te verfijnen of dat beetje bij beetje te verfijnen", zei Mak.
Ze waren ook jaren bezig om uit te zoeken hoe ze de microscopisch kleine vlokken, die slechts tienden van miljoensten van een meter groot zijn, moesten optillen en stapelen. Met dit vermogen, plus Hone's kristallen en verbeterde elektrische contacten, kwam alles samen in 2018. Het paar verhuisde naar Ithaca, New York, om nieuwe functies bij Cornell in te nemen, en een waterval van baanbrekende resultaten stroomde uit hun laboratorium.
Doorbraken bij Cornell
"Tegenwoordig is alles om de een of andere reden moeilijk op te pikken", zei Zhengchao Xia, een afgestudeerde student in de Mak en Shan-groep, toen het donkere silhouet van een boornitride-vlok dreigde af te pellen en terug te vallen op het siliciumoppervlak eronder. Het Madagaskar-vormige vel klampte zich zwak vast aan een brok grafiet dat op Saoedi-Arabië leek, net zoals papier zich zou kunnen hechten aan het knetterende oppervlak van een onlangs gewreven ballon. Het grafiet zat op zijn beurt vast aan een kleverige dauwdruppel van plastic die aan een glasplaatje was bevestigd. Xia gebruikte een computerinterface om een gemotoriseerde standaard te sturen die de dia vasthield. Zoals een arcadeganger een klauwmachine met een joystick zou kunnen manoeuvreren, tilde ze de stapel behoedzaam in de lucht met een snelheid van een vijfde van een miljoenste meter per muisklik, aandachtig naar het computerscherm starend om te zien of ze met succes de boornitride-vlok gevangen.
Ze had. Met nog een paar klikken kwam de tweelaagse stapel los en Xia bewoog snel maar opzettelijk om de vlokken af te zetten op een derde materiaal dat was ingebed met uitgestrekte metalen elektroden. Met nog een paar klikken verwarmde ze het oppervlak en smolt de plastic lijm van het objectglaasje voordat een van ons het microscopische apparaatje weg kon niezen.
"Ik heb altijd de nachtmerrie dat het gewoon verdwijnt," zei ze.
Van begin tot eind had Xia meer dan een uur nodig gehad om de onderste helft van een eenvoudig apparaat in elkaar te zetten - het equivalent van een open-faced PB&J. Ze liet me een andere stapel zien die ze onlangs had samengesteld en rammelde een paar ingrediënten, waaronder de TMD's wolfraamdiselenide en moly ditelluride. Een van de tientallen microscopisch kleine sandwiches die ze het afgelopen jaar heeft gemaakt en bestudeerd, deze Dagwood van een apparaat had maar liefst 10 lagen en duurde enkele uren om te monteren.
Deze stapeling van 2D-materialen, die ook wordt gedaan in laboratoria van Columbia, het Massachusetts Institute of Technology, Berkeley, Harvard en andere instellingen, vertegenwoordigt de realisatie van een lang gekoesterde droom van fysici van gecondenseerde materie. Onderzoekers zijn niet langer beperkt tot materialen die in de grond worden gevonden of langzaam in een laboratorium worden gekweekt. Nu kunnen ze spelen met het atomaire equivalent van Legoblokjes, platen aan elkaar klikken om op maat gemaakte structuren met de gewenste eigenschappen te bouwen. Als het gaat om het samenstellen van TMD-structuren, zijn er maar weinig zo ver gegaan als de Cornell-groep.
De eerste grote ontdekking van Mak en Shan bij Cornell betrof excitonen, de sterk gebonden elektron-gat-paren die ze in 2014 in TMD's hadden gezien. Excitons intrigeren natuurkundigen omdat deze "quasideeltjes” kan een omweg bieden om een eeuwigdurend doel van de fysica van de gecondenseerde materie te bereiken: supergeleiding bij kamertemperatuur.
Excitons spelen volgens dezelfde funky regels als elektron-elektronenparen; ook deze elektron-gat-paren worden bosonen, waardoor ze kunnen "condenseren" tot een gedeelde kwantumtoestand die bekend staat als een Bose-Einstein-condensaat. Deze coherente horde quasideeltjes kan kwantumkenmerken vertonen zoals superfluïditeit, het vermogen om zonder weerstand te stromen. (Als een superfluïde elektrische stroom voert, is het supergeleidend.)
Maar in tegenstelling tot afstotende elektronen, houden elektronen en gaten ervan om te koppelen. Onderzoekers zeggen dat dit hun lijm mogelijk sterker maakt. De uitdagingen voor op excitonen gebaseerde supergeleiding liggen in het voorkomen dat het elektron het gat vult en om de elektrisch neutrale paren in een stroom te laten stromen - en dat alles in een zo warm mogelijke kamer. Tot nu toe hebben Mak en Shan het eerste probleem opgelost en hebben ze een plan om het tweede aan te pakken.
Wolken van atomen kunnen worden overgehaald om condensaten te vormen door ze met krachtige lasers af te koelen tot een haar boven het absolute nulpunt. Maar theoretici hebben lang vermoed dat condensaten van excitonen zich bij hogere temperaturen zouden kunnen vormen. De Cornell-groep heeft dit idee gerealiseerd met hun stapelbare TMD's. Met behulp van een tweelaagse sandwich plaatsten ze extra elektronen in de bovenste laag en verwijderden ze elektronen van de bodem, waardoor er gaten achterbleven. De elektronen en gaten zijn gekoppeld, waardoor excitonen ontstaan die een lange levensduur hebben omdat de elektronen moeite hebben om naar de tegenoverliggende laag te springen om hun partners te neutraliseren. In oktober 2019 heeft de groep gemelde tekenen van een excitoncondensaat met een zwoele 100 kelvin. In deze opstelling hielden de excitonen tientallen nanoseconden aan, een levensduur voor dit type quasideeltjes. In de herfst van 2021, beschreef de groep een verbeterd apparaat waarbij excitonen milliseconden lijken mee te gaan, wat Mak 'praktisch voor altijd' noemde.
Het team achtervolgt nu een schema verzonnen door theoretici in 2008 voor het creëren van een excitonstroom. Allan MacDonald, stelden een prominente theoreticus van de gecondenseerde materie aan de Universiteit van Texas, Austin, en zijn afgestudeerde student Jung-Jung Su voor om neutrale excitonen te laten stromen door een elektrisch veld toe te passen dat zodanig is georiënteerd dat zowel elektronen als gaten worden aangemoedigd om in dezelfde richting te bewegen. Om het in het lab voor elkaar te krijgen, moet de Cornell-groep opnieuw worstelen met hun eeuwige vijand, elektrische contacten. In dit geval moeten ze meerdere sets elektroden aan de TMD-lagen bevestigen, sommige om de excitonen te vervaardigen en andere om ze te verplaatsen.
Shan en Mak denken dat ze op schema liggen om binnenkort excitonen te laten stromen tot wel 100 kelvin. Dat is een ijskoude kamer voor een persoon (−173 graden Celsius of −280 graden Fahrenheit), maar het is een enorme sprong ten opzichte van de nanokelvin-omstandigheden die de meeste bosonische condensaten nodig hebben.
"Dat is op zich al een mooie prestatie," zei Mak met een sluwe glimlach, "om de temperatuur een miljard keer op te warmen."
Magische Moiré-materialen
In 2018, terwijl het Cornell-lab hun TMD-experimenten opvoerde, lanceerde een andere grafeenverrassing een tweede 2D-materiaalrevolutie. Pablo Jarillo-Herrero, een onderzoeker aan het MIT en een ander Columbia-aluin, kondigde aan dat het draaien van een laag grafeen ten opzichte van de laag eronder een magisch nieuw 2D-materiaal creëerde. Het geheim was om de bovenste laag zo te laten vallen dat de zeshoeken met een lichte "draaiing" landden, zodat ze precies 1.1 graad gedraaid waren ten opzichte van de zeshoeken eronder. Deze verkeerde uitlijning van de hoek veroorzaakt een verschuiving tussen atomen die groeien en krimpen terwijl je over een materiaal beweegt, waardoor een herhalend patroon van grote "supercellen" ontstaat, bekend als een moiré-superrooster. MacDonald en een collega hadden berekend in 2011 dat bij de "magische hoek" van 1.1 graden, de unieke kristalstructuur van het superrooster de elektronen van grafeen zou dwingen om de afstoting van hun buren te vertragen en te voelen.
Wanneer elektronen zich van elkaar bewust worden, gebeuren er rare dingen. In normale isolatoren, geleiders en halfgeleiders wordt gedacht dat elektronen alleen interageren met het rooster van atomen; ze rennen te snel rond om elkaar op te merken. Maar vertraagd tot een kruip, kunnen elektronen elkaar verdringen en gezamenlijk een assortiment van exotische kwantumtoestanden aannemen. Jarillo-Herrero's experimenten toonden aan dat bijvoorbeeld slecht begrepen redenen, deze elektron-naar-elektron communicatie in gedraaid, magische hoek grafeen leidt tot een bijzonder sterke vorm van supergeleiding.
Het grafeen-moiré-superrooster introduceerde onderzoekers ook in een radicaal nieuwe manier om elektronen te beheersen. In het superrooster worden elektronen zich niet bewust van de individuele atomen en ervaren ze de supercellen zelf alsof het gigantische atomen zijn. Dit maakt het gemakkelijk om de supercellen te vullen met voldoende elektronen om collectieve kwantumtoestanden te vormen. Met behulp van een elektrisch veld om het gemiddelde aantal elektronen per supercel omhoog of omlaag te draaien, was de groep van Jarillo-Herrero in staat om hun gedraaide dubbellaagse grafeenapparaat te laten dienen als een supergeleider, fungeren als een isolator, of toon a vlot van andere, vreemd elektronengedrag.
Natuurkundigen over de hele wereld haastten zich naar het ontluikende veld van 'twistronics'. Maar velen hebben ontdekt dat draaien moeilijk is. Atomen hebben geen reden om netjes in de "magische" verkeerde uitlijning van 1.1 graden te vallen, dus bladen kreuken op manieren die hun eigenschappen volledig veranderen. Xia, de afgestudeerde Cornell-student, zei dat ze een stel vrienden op andere universiteiten heeft die met verdraaide apparaten werken. Het maken van een werkend apparaat kost ze meestal tientallen pogingen. En zelfs dan gedraagt elk apparaat zich anders, dus specifieke experimenten zijn bijna niet te herhalen.
TMD's bieden een veel eenvoudigere manier om moiré-superroosters te maken. Omdat verschillende TMD's zeshoekige roosters van verschillende afmetingen hebben, creëert het stapelen van een rooster van iets grotere zeshoeken over een kleiner rooster een moirépatroon, net zoals een verkeerde uitlijning van de hoek dat doet. In dit geval, omdat er geen rotatie tussen de lagen is, is de kans groter dat de stapel op zijn plaats klikt en stil blijft staan. Toen Xia van plan was een TMD-moiré-apparaat te maken, zei ze, slaagt ze daar meestal vier van de vijf keer in.
TMD moiré-materialen zijn ideale speelplaatsen voor het verkennen van elektroneninteracties. Omdat de materialen halfgeleiders zijn, worden hun elektronen zwaar als ze door de materialen ploeteren, in tegenstelling tot de hectische elektronen in grafeen. En de gigantische moiré-cellen vertragen ze verder: terwijl elektronen vaak tussen atomen bewegen door "tunneling", een kwantummechanisch gedrag dat lijkt op teleportatie, gebeurt tunneling zelden in een moiré-rooster, aangezien supercellen ongeveer 100 keer verder uit elkaar zitten dan de atomen erin . De afstand helpt de elektronen om tot rust te komen en geeft ze een kans om hun buren te leren kennen.
De vriendelijke rivaal van Shan en Mak, Feng Wang, was een van de eersten die het potentieel van TMD-moiré-superroosters inzag. Back-of-the-envelop berekeningen suggereerden dat deze materialen aanleiding zouden moeten geven tot een van de eenvoudigste manieren waarop elektronen zich kunnen organiseren - een toestand die bekend staat als een Wigner-kristal, waar wederzijdse afstoting lethargische elektronen op hun plaats houdt. Wang's team zag tekenen van dergelijke toestanden in 2020 en gepubliceerd de eerste afbeelding van elektronen die elkaar op armlengte afstand houden NATUUR in 2021. Tegen die tijd was het nieuws over Wang's TMD-moiré-activiteiten al verspreid door de hechte 2D-fysica-gemeenschap, en de Cornell TMD-fabriek produceerde zijn eigen TMD-moiré-apparaten. Shan en Mak rapporteerden ook bewijs voor Wigner-kristallen in TMD-superroosters in 2020 en ontdekten binnen enkele maanden dat elektronen in hun apparaten in bijna twee dozijn verschillende Wigner-kristalpatronen.
Tegelijkertijd maakte de Cornell-groep ook TMD-moiré-materialen tot elektrisch gereedschap. MacDonald en medewerkers had voorspeld in 2018 dat deze apparaten de juiste combinatie van technische kenmerken hebben om ze perfect een van de belangrijkste speelgoedmodellen in de fysica van de gecondenseerde materie te laten vertegenwoordigen. Het Hubbard-model, zoals het wordt genoemd, is een theoretisch systeem dat wordt gebruikt om een breed scala aan elektronengedragingen te begrijpen. Onafhankelijk voorgesteld door Martin Gutzwiller, Junjiro Kanamori en John Hubbard in 1963, is het model de beste poging van natuurkundigen om de praktisch oneindige verscheidenheid aan kristalroosters terug te brengen tot hun meest essentiële kenmerken. Stel je een raster voor van atomen die elektronen herbergen. Het Hubbard-model gaat ervan uit dat elk elektron twee concurrerende krachten voelt: het wil bewegen door te tunnelen naar naburige atomen, maar het wordt ook afgestoten door zijn buren, waardoor het wil blijven waar het is. Afhankelijk van welk verlangen het sterkst is, ontstaan er verschillende gedragingen. Het enige probleem met het Hubbard-model is dat het in alles behalve het eenvoudigste geval - een 1D-reeks atomen - wiskundig onoplosbaar is.
Volgens MacDonald en collega's zouden TMD-moiré-materialen kunnen fungeren als "simulatoren" van het Hubbard-model en mogelijk enkele van de diepste mysteries van het veld oplossen, zoals de aard van de lijm die elektronen bindt tot supergeleidende paren in cuprates. In plaats van te worstelen met een onmogelijke vergelijking, konden onderzoekers elektronen loslaten in een TMD-sandwich en kijken wat ze deden. "We kunnen dit model opschrijven, maar het is erg moeilijk om veel belangrijke vragen te beantwoorden," zei MacDonald. “Nu kunnen we het doen door gewoon een experiment te doen. Dat is echt grensverleggend.”
Om hun Hubbard-modelsimulator te bouwen, stapelden Shan en Mak lagen wolfraamdiselenide en wolfraamsulfide op elkaar om een moiré-superrooster te creëren, en ze bevestigden elektroden om een elektrisch veld dat door de TMD-sandwich ging omhoog of omlaag te draaien. Het elektrische veld bepaalde hoeveel elektronen elke supercel zouden vullen. Omdat de cellen zich gedragen als gigantische atomen, was de overgang van één elektron naar twee elektronen per supercel hetzelfde als het transformeren van een rooster van waterstofatomen in een rooster van heliumatomen. in hun eerste Hubbard-modelpublicatie in NATUUR in maart 2020 meldden ze dat ze atomen met maximaal twee elektronen simuleerden; vandaag kunnen ze tot acht gaan. In zekere zin hadden ze het oude doel gerealiseerd om lood in goud te veranderen. 'Het is alsof je scheikunde afstemt,' zei Mak, 'door het periodiek systeem gaan.' In principe kunnen ze zelfs een raster van fictieve atomen tevoorschijn toveren van pakweg 1.38 elektronen elk.
Vervolgens keek de groep naar de harten van de kunstmatige atomen. Met meer elektroden zouden ze het "potentieel" van de supercellen kunnen beheersen door veranderingen aan te brengen die lijken op het toevoegen van positieve protonen aan de centra van de gigantische synthetische atomen. Hoe meer lading een kern heeft, hoe moeilijker het is voor elektronen om weg te tunnelen, dus dit elektrische veld laat ze de neiging tot springen verhogen en verlagen.
Mak en Shan's controle over de gigantische atomen - en dus het Hubbard-model - was compleet. Met het TMD moiré-systeem kunnen ze een raster van ersatz-atomen oproepen, zelfs atomen die niet in de natuur voorkomen, en ze soepel transformeren zoals ze willen. Het is een kracht die, zelfs voor andere onderzoekers in het veld, aan magisch grenst. "Als ik hun meest opwindende en indrukwekkende prestatie zou moeten noemen, dan is dat die," zei Kim.
De Cornell-groep gebruikte snel hun designer-atomen om een 70 jaar oud debat te beslechten. De vraag was: wat als je een isolator zou kunnen nemen en de atomen ervan zou kunnen aanpassen om er een geleidend metaal van te maken? Zou de omschakeling geleidelijk of abrupt gebeuren?
Met hun moiré-alchemie voerden Shan en Mak het gedachte-experiment uit in hun lab. Eerst simuleerden ze zware atomen, die elektronen opsloten, zodat het TMD-superrooster als een isolator werkte. Daarna kromp ze de atomen, waardoor de val werd verzwakt totdat elektronen naar vrijheid konden springen, waardoor het superrooster een geleidend metaal werd. Door een geleidelijk dalende elektrische weerstand waar te nemen terwijl het superrooster steeds meer als een metaal ging werken, toonden ze aan dat de overgang niet abrupt is. Deze bevinding, die kondigden ze aan in NATUUR vorig jaar, opent de mogelijkheid dat de elektronen van het superrooster een lang gezocht type vloeibaarheid kunnen bereiken die bekend staat als een kwantum spin vloeistof. "Dat is misschien wel het meest interessante probleem dat je kunt aanpakken," zei Mak.
Bijna tegelijkertijd had het paar geluk met wat sommige natuurkundigen als hun belangrijkste ontdekking tot nu toe beschouwen. "Het was eigenlijk een totaal ongeluk", zei Mak. “Niemand had het verwacht.”
Toen ze aan hun Hubbard-simulatoronderzoek begonnen, gebruikten de onderzoekers TMD-sandwiches waarin de zeshoeken op de twee lagen zijn uitgelijnd, met overgangsmetalen bovenop overgangsmetalen en chalcogeniden bovenop chalcogeniden. (Toen ontdekten ze de geleidelijke overgang van isolator naar metaal.) Toen, toevallig, herhaalden ze het experiment met apparaten waarin de bovenste laag achterstevoren was gestapeld.
Net als voorheen begon de weerstand te dalen toen elektronen begonnen te springen. Maar toen stortte het abrupt in en ging het zo laag dat de onderzoekers zich afvroegen of de moiré begon te supergeleiden. Als ze echter verder onderzoeken, een zeldzaam weerstandspatroon gemeten bekend als het kwantum afwijkende Hall-effect - een bewijs dat er iets nog vreemder aan de hand was. Het effect gaf aan dat de kristalstructuur van het apparaat elektronen langs de rand van het materiaal dwong om anders te handelen dan die in het midden. In het midden van het apparaat zaten elektronen gevangen in een isolerende toestand. Maar rond de omtrek stroomden ze in één richting - wat de superlage weerstand verklaart. Per ongeluk hadden de onderzoekers een uiterst ongebruikelijk en fragiel type materie gecreëerd dat bekend staat als een Chern-isolator.
Het kwantum afwijkende hall-effect, voor het eerst waargenomen in 2013, valt meestal uit elkaar als de temperatuur boven een paar honderdsten van een kelvin stijgt. In 2019 had Young's groep in Santa Barbara het gezien in een eenmalige gedraaide grafeen sandwich rond de 5 kelvin. Nu hadden Shan en Mak het effect bereikt bij bijna dezelfde temperatuur, maar in een TMD-apparaat dat niet te draaien was en dat iedereen opnieuw kan maken. "De onze had een hogere temperatuur, maar ik neem die van hen elke dag omdat ze het tien keer achter elkaar kunnen doen," zei Young. Dat betekent dat je het kunt begrijpen "en het kunt gebruiken om daadwerkelijk iets te doen".
Mak en Shan geloven dat ze, met wat gehannes, TMD-moiré-materialen kunnen gebruiken om Chern-isolatoren te bouwen die overleven tot 50 of 100 kelvin. Als ze succesvol zijn, kan het werk leiden tot een andere manier om stroom zonder weerstand te laten stromen - in ieder geval voor kleine "nanodraden", die ze misschien zelfs op specifieke plaatsen in een apparaat kunnen in- en uitschakelen.
Verkenning in Flatland
Zelfs als de historische resultaten zich opstapelen, vertoont het paar geen tekenen van vertraging. Op de dag dat ik er was, keek Mak toe hoe studenten sleutelden aan een torenhoge verdunningskoelkast waarmee ze hun apparaten zouden kunnen koelen tot temperaturen die duizend keer lager zijn dan waarmee ze tot nu toe hebben gewerkt. Er is zoveel natuurkunde te ontdekken onder "warmere" omstandigheden dat de groep geen kans heeft gehad om het diepere cryogene rijk grondig te doorzoeken op tekenen van supergeleiding. Als de superkoelkast de TMD's supergeleidt, zal dat nog een andere vraag beantwoorden, waaruit blijkt dat een vorm van magnetisme die inherent is aan cuprates (maar afwezig in TMD's) is geen essentieel ingrediënt van de elektronenbindende lijm. "Dat is hetzelfde als het doden van een van de belangrijke componenten die theoretici al heel lang wilden doden," zei Mak.
Hij en Shan en hun groep zijn nog niet eens begonnen te experimenteren met een aantal van de meer funky TMD's. Na jarenlang de apparatuur te hebben uitgevonden die nodig is om zich over het continent van 2D-materialen te verplaatsen, maken ze zich eindelijk op om verder te gaan dan het molydisulfide-bruggenhoofd waarop ze in 2010 landden.
De twee onderzoekers schrijven hun succes toe aan een cultuur van samenwerking die ze in Columbia hebben geabsorbeerd. De eerste samenwerking met Hone die hen kennis liet maken met molydisulfide, zeggen ze, was slechts een van de vele kansen die ze genoten omdat ze vrij waren om hun nieuwsgierigheid te volgen. "We hoefden hun plannen niet te bespreken" met Heinz, het hoofd van hun lab, zei Shan. “We spraken met mensen van andere groepen. We hebben de experimenten gedaan. We hebben zelfs dingen ingepakt.”
Tegenwoordig koesteren ze een even ontspannen omgeving bij Cornell, waar ze toezicht houden op een paar dozijn postdocs, gastonderzoekers en studenten, die allemaal grotendeels vrij zijn om hun eigen ding te doen. “Studenten zijn heel slim en hebben goede ideeën”, zegt Mak. "Soms wil je je er niet mee bemoeien."
Hun huwelijk maakt hun lab ook uniek. De twee hebben geleerd om te leunen op hun persoonlijke sterke punten. Naast een overvloed aan creativiteit als experimentator, beschikt Shan over een zorgvuldige discipline die haar tot een goede manager maakt; terwijl we met z'n drieën praatten, duwde ze 'professor Fai' vaak weer op het goede spoor toen zijn enthousiasme voor natuurkunde hem te diep in de technische details duwde. Mak van zijn kant zwoegt graag samen met de beginnende onderzoekers, zowel binnen als buiten het lab. Hij is onlangs begonnen met rotsklimmen met de groep. "Het lijkt erop dat hun lab hun familie is", zei Young. Shan en Mak vertelden me dat ze samen meer bereiken dan alleen. 'Eén plus één is meer dan twee,' zei Mak.
De apparaten die ze aan het bouwen zijn, kunnen ook meer zijn dan de som der delen. Terwijl onderzoekers TMD-platen samenvoegen om excitonen en moiré-superroosters te creëren, speculeren ze over hoe de nieuwe manieren om elektronen te domesticeren de technologie zouden kunnen opvoeren. Zelfs als zakklare supergeleiding ongrijpbaar blijft, zouden Bose-Einstein-condensaten kunnen leiden tot ultragevoelige kwantumsensoren, en een betere controle van Chern-achtige isolatoren zou dit mogelijk kunnen maken krachtige kwantumcomputers. En dat zijn nog maar de voor de hand liggende ideeën. Incrementele verbeteringen in de materiaalwetenschap leiden vaak tot radicale toepassingen die maar weinigen zagen aankomen. De onderzoekers die de transistor ontwikkelden, zouden bijvoorbeeld moeite hebben gehad om smartphones te voorspellen die worden aangedreven door miljarden microscopisch kleine schakelaars die in een chip ter grootte van een vingernagel zijn gestopt. En de wetenschappers die probeerden glasvezels te maken die licht over hun laboratoriumbank konden dragen, hadden niet kunnen voorzien dat 10,000 kilometer onderzeese optische vezels op een dag continenten zouden verbinden. Tweedimensionale materialen kunnen in vergelijkbare onvoorspelbare richtingen evolueren. "Een echt nieuw materiaalplatform genereert zijn eigen toepassingen in plaats van bestaande materialen te vervangen", zegt Heinz.
Terwijl ze me naar de bushalte Ithaca brachten, vertelden Shan en Mak me over een recente (en zeldzame) vakantie die ze namen naar Banff, Canada, waar ze opnieuw hun talent lieten zien om door een mix van inspanning en geluk op verrassingen te stuiten. Ze hadden dagenlang geprobeerd - tevergeefs - een beer te spotten. Toen, aan het einde van de reis, op weg naar het vliegveld, stopten ze om hun benen te strekken bij een botanisch reservaat en stonden ze oog in oog met een zwarte beer.
Evenzo, met de fysica van de gecondenseerde materie, is hun benadering om samen rond te dwalen in een nieuw landschap en te zien wat er verschijnt. "We hebben niet veel theoretische begeleiding, maar we spelen gewoon wat rond en spelen met experimenten," zei Mak. "Het kan mislukken, maar soms kun je iets heel onverwachts tegenkomen."
