Molybdenitt, selv for det trente øyet, ser nesten identisk ut med grafitt - en skinnende, sølvfarget krystall. Den fungerer også på samme måte, og fjerner flak på en måte som gir en god blyantfylling. Men for et elektron danner de to rutenettene med atomer forskjellige verdener. Utmerkelsen kom først inn i den vitenskapelige rekorden for 244 år siden. Carl Scheele, en svensk kjemiker kjent for sin oppdagelse av oksygen, kastet hvert mineral ned i diverse syrer og så på de skumle gassskyene som bølget frem. Scheele, som til slutt betalte for denne tilnærmingen med livet, døde av mistenkt tungmetallforgiftning i 43-årsalderen, konkluderte med at molybdenitt var et nytt stoff. Han beskrev det i et brev til Det Kongelige Svenske Vitenskapsakademi i 1778, og skrev: "Jeg refererer her ikke til den allment kjente grafitten som man kan skaffe seg fra apoteket. Dette overgangsmetallet ser ut til å være ukjent.»
Med sin tendens til å flasse til pulveraktige fragmenter, ble molybdenitt et populært smøremiddel på 20-tallet. Det hjalp ski med å gli lenger gjennom snøen og jevnet ut kulene fra rifleløp i Vietnam.
I dag driver den samme flakigheten til en fysikkrevolusjon.
Gjennombruddene startet med grafitt og scotch tape. Forskere oppdaget ved en tilfeldighet i 2004 at de kunne bruke tape for å skrelle av flak av grafitt som bare var ett atom tykt. Disse krystallinske arkene, hver en flat rekke karbonatomer, hadde forbløffende egenskaper som var radikalt forskjellige fra de til de tredimensjonale krystallene de kom fra. Grafen (som oppdagerne kalte det) var en helt ny kategori av stoff - et 2D-materiale. Oppdagelsen transformerte kondensert materiefysikk, grenen av fysikk som søker å forstå de mange formene og oppførselen til materie. Nesten halvparten av alle fysikere er kondensert materie-fysikere; det er underfeltet som brakte oss databrikker, lasere, LED-pærer, MR-maskiner, solcellepaneler og alle slags moderne teknologiske vidundere. Etter oppdagelsen av grafen begynte tusenvis av fysikere av kondensert materie å studere det nye materialet, i håp om at det ville underbygge fremtidige teknologier.
Graphenes oppdagere mottok Nobelprisen i fysikk i 2010. Samme år fikk to unge fysikere ved Columbia University, Jie Shan og Kin Fai Mak, så tegn på at flak av molybdenitt kan være enda mer magiske enn grafen. Det mindre kjente mineralet har egenskaper som gjør det vanskelig å studere - for tøft for mange laboratorier - men det fengslet Shan og Mak. Den iherdige duoen viet nesten et tiår til å krangle 2D-molybdenitt (eller molybdendisulfid, som den laboratoriedyrkede versjonen av krystallen kalles) og en familie av nært beslektede 2D-krystaller.
Nå gir innsatsen deres resultater. Shan og Mak, som nå er gift og driver en felles forskningsgruppe ved Cornell University, har vist at 2D-krystaller av molybdendisulfid og dets slektninger kan gi opphav til en enorm variasjon av eksotiske kvantefenomener. "Det er en sprø lekeplass," sa James Hone, en forsker ved Columbia som forsyner Cornell-laboratoriet med krystaller av høy kvalitet. "Du kan gjøre all moderne fysikk av kondensert materie i ett materialsystem."
Shan og Maks gruppe har fanget elektroner som oppfører seg på enestående måter i disse flate krystallene. De har lokket partiklene til å smelte sammen til en kvantevæske og fryse til en rekke islignende strukturer. De har lært å sette sammen rutenett av gigantiske kunstige atomer som nå fungerer som testsenger for grunnleggende teorier om materie. Siden åpningen av Cornell-laboratoriet i 2018, har mesterelektrontemmerne publisert en iøynefallende åtte artikler i Natur, det mest prestisjefylte tidsskriftet innen vitenskap, samt en rekke andre artikler. Teoretikere sier at paret utvider forståelsen av hva mengder av elektroner er i stand til.
Forskningen deres "er dypt imponerende i mange aspekter," sa Philip Kim, en fremtredende fysiker med kondensert materie ved Harvard University. "Det er, vil jeg si, oppsiktsvekkende."
Fremveksten av 2D-materialer
Et materiales egenskaper gjenspeiler generelt hva elektronene gjør. I ledere som metaller, for eksempel, seiler elektroner mellom atomer med letthet og bærer elektrisitet. I isolatorer som tre og glass forblir elektroner. Halvledere som silisium faller i mellom: Elektronene deres kan bli tvunget til å bevege seg med en tilstrømning av energi, noe som gjør dem ideelle for å slå strøm på og av - jobben til en transistor. I løpet av de siste 50 årene, foruten disse tre grunnleggende elektronoppførselene, har fysikere av kondensert materie sett de lette ladede partiklene oppføre seg på mange mer eksotiske måter.
En av de mer dramatiske overraskelsene kom i 1986, da to IBM-forskere, Georg Bednorz og Alex Müller, oppdaget en strøm av elektroner som beveger seg gjennom en kobberoksid (“kuprat”) krystall uten noen som helst motstand. Denne superledningsevnen - elektrisitets evne til å flyte med perfekt effektivitet - hadde blitt sett før, men bare av velforståtte grunner i materialer som er avkjølt til noen få grader av absolutt null. Denne gangen observerte Bednorz og Müller en mystisk form av fenomenet som vedvarte med rekordhøye 35 kelvin (det vil si 35 grader over absolutt null). Forskere oppdaget snart andre cuprates som superleder over 100 kelvin. En drøm ble født som kanskje fortsatt er hovedmålet for kondensert materiefysikk i dag: å finne eller konstruere et stoff som kan superlede elektrisitet i vår varme, omtrent 300 kelvin verden, som muliggjør tapsfrie kraftledninger, svevende kjøretøy og andre hypereffektive enheter som ville redusere menneskehetens energibehov betydelig.
Nøkkelen til superledning er å lokke elektroner, som normalt frastøter hverandre, for å koble seg sammen og danne enheter kjent som bosoner. Bosoner kan deretter kollektivt smelte sammen til en friksjonsfri kvantevæske. Attraktive krefter som skaper bosoner, slik som atomvibrasjoner, kan normalt overvinne elektronenes frastøting bare ved kryogene temperaturer eller høyt trykk. Men behovet for disse ekstreme forholdene har forhindret superledning fra å finne veien til hverdagslige enheter. Oppdagelsen av cuprates vakte håp om at det riktige atomgitteret kunne "lime" elektroner så fast at de ville holde seg fast selv ved romtemperatur.
Fortsatt 40 år etter Bednorz og Müllers funn, er teoretikere fortsatt ikke helt sikre på hvordan limet i cuprates fungerer, og langt mindre hvordan de skal justere materialene for å styrke det. Derfor er mye forskning innen kondensert materie-fysikk en prøving-og-feil-jakt etter krystaller som kan holde elektronene deres sammenkoblet eller hyrde elektronene på andre fantastiske måter. "Kondensert materie er en gren av fysikk som tillater serendipities," sa Kim. Slik var oppdagelsen av 2004D-materialer i 2.
Andre Geim og Konstantin Novoselov, jobber med grafitt ved University of Manchester i Storbritannia, oppdaget en sjokkerende konsekvens av materialets flakhet. En grafittkrystall inneholder karbonatomer ordnet i løst bundne ark av sekskanter. Teoretikere hadde lenge spådd at uten den stabiliserende innflytelsen fra stabelen, ville varmeinduserte vibrasjoner bryte opp et ettlags ark. Men Geim og Novoselov fant ut at de kunne skrelle av stabile, atomtynne ark med lite mer enn teip og utholdenhet. Grafen var det første virkelig flate materialet - et plan der elektroner kan gli rundt, men ikke opp og ned.
Hone, Columbia-fysikeren, oppdaget at verdens tynneste materiale på en eller annen måte er også den sterkeste. Det var en bemerkelsesverdig opprørt for et materiale som teoretikere trodde ikke ville henge sammen i det hele tatt.
Det mest fascinerte fysikerne med grafen var hvordan karbonflatlandet transformerte elektroner: Ingenting kunne bremse dem. Elektroner blir ofte snublet opp av gitteret av atomer som de beveger seg gjennom, og virker tyngre enn lærebokmassen deres (en isolators ubevegelige elektroner fungerer som om de har uendelig masse). Grafens flate gitter lar imidlertid elektroner suse rundt med en million meter per sekund - bare noen få hundre ganger langsommere enn lysets hastighet. Ved den konstante, blemmehastigheten fløy elektronene som om de ikke hadde noen masse i det hele tatt, og velsignet grafen med ekstrem (men ikke super) ledningsevne.
Et helt felt sprang opp rundt vidundermaterialet. Forskere begynte også å tenke bredere. Kan 2D-flak av andre stoffer inneholde sine egne superkrefter? Hone var blant dem som forgrenet seg. I 2009 målte han noen mekaniske egenskaper til grafittens doppelgjenger, molybdendisulfid, og ga deretter krystallen videre til to optiske spesialister i Columbia-laboratoriet til Tony Heinz. Det var et tilfeldig trekk som ville endre karrieren til alle involverte.
Molybdendisulfidprøven landet i hendene på Jie Shan, en gjesteprofessor tidlig i karrieren, og Kin Fai Mak, en doktorgradsstudent. Den unge duoen studerte hvordan grafen interagerer med lys, men de hadde allerede begynt å dagdrømme om andre materialer. Grafens raske elektroner gjør det til en fantastisk leder, men det de ønsket var en 2D-halvleder - et materiale hvis strøm av elektroner de kunne skru av og på, og som derfor kunne fungere som en transistor.
Molybdendisulfid var kjent for å være en halvleder. Og Shan og Mak fant snart ut at den, i likhet med grafitt, fikk ytterligere krefter i 2D. Da de pekte en laser på 3D-krystaller av "molydisulfid" (som de kjærlig kaller det), forble krystallene mørke. Men da Shan og Mak rev av lag med Scotch-tape, slo dem med en laser og undersøkte dem under et mikroskop, så de 2D-arkene skinne sterkt.
Forskning fra andre grupper vil senere bekrefte at vellagde ark av et nært beslektet materiale gjenspeiler hvert eneste foton som treffer dem. "Det er litt sjokkerende," sa Mak nylig, da jeg møtte ham og Shan på deres felles kontor på Cornell. "Du har bare et enkelt ark med atomer, og det kan reflektere 100 % av lyset som et perfekt speil." De innså at denne egenskapen kan føre til spektakulære optiske enheter.
Uavhengig, Feng Wang, en fysiker ved University of California, Berkeley, gjorde den samme oppdagelsen. Et 2D-materiale som var svært reflekterende og en halvleder å starte opp fanget samfunnets oppmerksomhet. Begge grupper publiserte funnene sine i 2010; avisene har siden mottatt mer enn 16,000 2 sitater seg imellom. "Alle med laser begynte å bli veldig interessert i XNUMXD-materialer," sa Hone.
Ved å identifisere molydisulfid som et andre 2D vidundermateriale, hadde de to gruppene kommet i land på et helt kontinent av 2D-materialer. Molydisulfid tilhører en familie av stoffer kjent som overgangsmetalldikalkogenider (TMDs), der atomer fra den metalliske midtre delen av det periodiske systemet, som molybden, kobles sammen med par av kjemiske forbindelser kjent som kalkogenider, for eksempel svovel. Molydisulfid er den eneste naturlig forekommende TMD, men det er det flere titalls som forskere kan piske opp i laboratorier - wolframdisulfid, molybdenditellurid og så videre. De fleste danner svakt bundne ark, noe som gjør dem mottakelige for forretningssiden av et stykke tape.
Den første bølgen av spenning ebbet imidlertid snart ut, da forskere slet med å få TMD-er til å gjøre mer enn å skinne. Wangs gruppe, for en, falt tilbake på grafen etter å ha funnet ut at de ikke lett kunne feste metallelektroder til molydisulfid. "Det har vært snublesteinen for gruppen vår i ganske mange år," sa han. – Selv nå er vi ikke så flinke til å ta kontakt. Det så ut til at hovedfordelen med TMD-er fremfor grafen også var deres største svakhet: For å studere et materiales elektroniske egenskaper, må forskere ofte dytte elektroner inn i det og måle motstanden til den resulterende strømmen. Men fordi halvledere er dårlige ledere, er det vanskelig å få elektroner inn eller ut.
Mak og Shan følte seg først ambivalente. "Det var veldig uklart om vi skulle fortsette å jobbe med grafen eller begynne å jobbe med dette nye materialet," sa Mak. "Men siden vi fant ut at den har denne fine egenskapen, fortsatte vi å gjøre noen flere eksperimenter."
Mens de jobbet, ble de to forskerne stadig mer trollbundet av molydisulfid og av hverandre. Opprinnelig var kontakten deres profesjonell, hovedsakelig begrenset til forskningsfokuserte e-poster. "Fai spurte ofte: 'Hvor er det utstyret? Hvor la du det?'» sa Shan. Men til slutt ble forholdet deres, inkubert av lange timer og katalysert av eksperimentell suksess, romantisk. "Vi så hverandre bare for ofte, bokstavelig talt i samme laboratorium som jobbet med det samme prosjektet," sa Mak. "Prosjektet som fungerte veldig bra gjorde oss også glade."
All fysikk hele tiden
Det ville kreve et partnerskap mellom to hengivne fysikere med jerndisiplin for å bringe de plagsomme TMD-ene til hæl.
Akademikere kom alltid lett til Shan. Hun vokste opp på 1970-tallet i kystprovinsen Zhejiang, og var en stjernestudent, utmerket seg i matematikk, naturfag og språk og fikk en ettertraktet plass ved University of Science and Technology of China i Hefei. Der kvalifiserte hun seg til et selektivt kulturutvekslingsprogram mellom Kina og Sovjetunionen, og hun slo til med å studere russisk og fysikk ved Moskva statsuniversitet. "Når du er tenåring, er du ivrig etter å utforske verden," sa hun. "Jeg nølte ikke."
Med en gang så hun mer av verden enn hun hadde regnet med. Visumproblemer forsinket hennes ankomst til Russland med noen måneder, og hun mistet plassen i språkprogrammet. Myndighetene fant henne en annen kurs, og kort tid etter landing i Moskva satte hun seg på et tog og reiste 5,000 kilometer østover. Tre dager senere ankom hun byen Irkutsk midt i Sibir på begynnelsen av vinteren. «Rådet jeg fikk var: 'Aldri, aldri rør noe uten hansker'», for at hun ikke skulle bli sittende fast, sa hun.
Shan beholdt hanskene på, lærte russisk på et enkelt semester, og kom til å sette pris på den sterke skjønnheten i det vinterlige landskapet. Da kurset ble avsluttet og snøen smeltet, vendte hun tilbake til hovedstaden for å begynne på fysikkgraden, og ankom Moskva våren 1990, midt under oppløsningen av Sovjetunionen.
Det var kaotiske år. Shan så stridsvogner rulle gjennom gatene i nærheten av universitetet mens kommunister prøvde å gjenvinne kontrollen over regjeringen. Ved en annen anledning, like etter en avsluttende eksamen, brøt det ut slåssing. "Vi kunne høre skuddveksling, og vi ble bedt om å slå av lyset i sovesalen," sa hun. Alt, fra mat til toalettpapir, ble rasjonert gjennom et kupongsystem. Likevel følte Shan seg inspirert av motstandskraften til professorene hennes, som fortsatte med forskningen til tross for uroen. «Forholdene var tøffe, men mange av forskerne hadde en slik holdning. De elsker virkelig det de gjør, til tross for hva som skjer, sa hun.
Da verdensordenen kollapset, utmerket Shan seg ved å publisere en teoretisk optikkartikkel som fanget Heinz blikk på Columbia. Han oppmuntret henne til å søke, og hun flyttet til New York, hvor hun av og til hjalp andre internasjonale studenter med å få fotfeste i et fremmed land. Hun rekrutterte Wang til å jobbe i Heinz' laboratorium, for eksempel, og delte eksperimentelle tips. "Hun lærte meg å være tålmodig," sa han, og "hvordan jeg ikke blir frustrert over laseren."
De fleste forskere tar en postdoktorstilling etter å ha oppnådd sin doktorgrad, men Shan begynte direkte på Case Western Reserve University som førsteamanuensis i 2001. Flere år senere, på et sabbatsår, returnerte hun til Heinz' laboratorium i Columbia. For en gangs skyld var timingen hennes tilfeldig. Hun begynte å samarbeide med en sjarmerende og lysøyne doktorgradsstudent i Heinz' gruppe, Kin Fai Mak.
Mak hadde fulgt en annen, mindre urolig vei til New York City. Da han vokste opp i Hong Kong, slet han på skolen, siden lite annet enn fysikk ga mening for ham. "Det var det eneste jeg liker og var faktisk god på, så jeg valgte fysikk," sa han.
Hans undergraduate-forskning ved Hong Kong University skilte seg ut, og Heinz rekrutterte ham til å bli med i Columbias blomstrende fysikkprogram for kondensert materie. Der kastet han seg over forskning, og tilbrakte nesten alle sine våkne timer i laboratoriet bortsett fra en og annen omgang intramural fotball. Andrea Young, en medstudent (nå assisterende professor ved University of California, Santa Barbara), delte en leilighet med Mak på West 113th Street. «Jeg var heldig hvis jeg kunne ta ham klokken 2 om morgenen for å lage pasta og snakke om fysikk. Det var fysikk hele tiden, sa Young.
Men de gode tidene varte ikke. Kort tid etter en ekskursjon til Amazonas regnskog i Colombia med Young, ble Mak syk. Legene hans var ikke sikre på hva de skulle si om de forvirrende testresultatene hans, og han ble sykere. En heldig tilfeldighet reddet livet hans. Young beskrev situasjonen for sin far, en medisinsk forsker, som umiddelbart gjenkjente tegn på aplastisk anemi - en uvanlig blodtilstand som tilfeldigvis var gjenstand for hans egen forskning. "Det er faktisk veldig sjelden å få denne sykdommen, først og fremst," sa Mak. "Og enda sjeldnere å få en sykdom som samboerens far er ekspert på."
Youngs far hjalp Mak med å melde seg på eksperimentelle behandlinger. Han tilbrakte store deler av sitt siste år på forskerskolen på sykehuset og kom nær døden flere ganger. Gjennom prøvelsen drev Maks iver for fysikk ham til å fortsette å jobbe. «Han skrev PRL brev fra sykehussengen hans,» sa Young og refererte til journalen Physical Review Letters. "Til tross for alt dette var han en av de mest produktive studentene noensinne," sa Heinz. – Det var noe av et mirakel.
Ytterligere behandlinger hjalp til slutt Mak til å bli fullstendig frisk. Young, selv en velkjent eksperimentellist, ville senere spøke om intervensjonene hans: "Blant venner kaller jeg det mitt største bidrag til fysikk."
Inn i 2D-villmarken
Mak gikk videre til Cornell som postdoktor i 2012, da Shan allerede hadde returnert til Case Western. De forfulgte individuelle prosjekter med grafen og andre materialer, men de fortsatte også å låse opp ytterligere hemmeligheter til TMD-ene sammen.
Hos Cornell lærte Mak kunsten å måle elektrontransport - den andre viktigste måten å spå elektronenes bevegelse på, foruten optikk. Denne ekspertisen gjorde ham og Shan til en dobbel trussel på et felt der forskere vanligvis spesialiserer seg på den ene eller den andre typen. «Når jeg møter Fai og Jie, klager jeg: 'Det er urettferdig at dere driver med transport,'» sa Kim. "Hva skal jeg gjøre?"
Jo mer duoen lærte om TMD-er, jo mer spennende ble de. Forskere fokuserer vanligvis på en av to egenskaper ved elektroner: deres ladning og spinn (eller iboende vinkelmomentum). Kontroll av strømmen av elektrisk ladning er grunnlaget for moderne elektronikk. Og snu elektronenes spinn kan føre til "spintronics"-enheter som pakker mer informasjon inn i mindre rom. I 2014, Mak hjalp til med å oppdage at elektroner i 2D moly-disulfid kan tilegne seg en spesiell, tredje egenskap: Disse elektronene må bevege seg med spesifikke mengder momentum, en kontrollerbar egenskap kjent som "dal" som forskere spekulerer kan skape enda et tredje felt av "valleytronics"-teknologi.
Samme år identifiserte Mak og Shan et annet slående trekk ved TMD-er. Elektroner er ikke de eneste enhetene som beveger seg gjennom en krystall; fysikere sporer også "hull", de ledige stillingene som skapes når elektroner hopper andre steder. Disse hullene kan streife rundt i et materiale som ekte positivt ladede partikler. Det positive hullet tiltrekker seg et negativt elektron for å danne et flyktig partnerskap, kjent som en exciton, i øyeblikket før elektronet plugger hullet. Shan og Mak målte attraksjonen mellom elektroner og hull i 2D wolframdiselenid og fant det hundrevis av ganger sterkere enn i en typisk 3D-halvleder. Funnet antydet at eksitoner i TMD-er kan være spesielt robuste, og at elektroner generelt var mer sannsynlig å gjøre alle slags rare ting.
Paret sikret seg stillinger sammen ved Pennsylvania State University og startet et laboratorium der. Til slutt overbevist om at TMD-er var verdt å satse karrieren på, gjorde de materialene til fokus for den nye gruppen. De giftet seg også.
I mellomtiden så Hones team i Columbia at grafenens egenskaper ble enda mer ekstreme da de plasserte den på toppen av en høykvalitets isolator, bornitrid. Det var et tidlig eksempel på en av de mest nye aspektene ved 2D-materialer: deres stablebarhet.
Legg ett 2D-materiale oppå et annet, og lagene vil sitte en brøkdel av en nanometer fra hverandre - ingen avstand i det hele tatt fra elektronenes perspektiv. Som et resultat smelter stablede ark effektivt sammen til ett stoff. "Det er ikke bare to materialer sammen," sa Wang. "Du skaper virkelig et nytt materiale."
Mens grafen utelukkende består av karbonatomer, bringer den mangfoldige familien av TMD-gitter dusinvis av tilleggselementer inn i stablespillet. Hver TMD har sine egne iboende evner. Noen er magnetiske; andres superoppførsel. Forskere så frem til å mikse og matche dem til motematerialer med deres kombinerte krefter.
Men når gruppen til Hone plasserte molydisulfid på en isolator, viste egenskapene til stabelen svake gevinster sammenlignet med det de hadde sett i grafen. Etter hvert innså de at de ikke hadde sjekket kvaliteten på TMD-krystallene. Da de fikk noen kolleger til å stikke molydisulfidet sitt under et mikroskop som var i stand til å løse opp individuelle atomer, ble de lamslått. Noen atomer satt på feil sted, mens andre hadde forsvunnet helt. Så mange som 1 av 100 gittersteder hadde et eller annet problem, og hindret gitterets evne til å dirigere elektroner. Grafen, til sammenligning, var bildet av perfeksjon, med omtrent en defekt per million atomer. "Vi skjønte endelig at tingene vi hadde kjøpt var fullstendig søppel," sa Hone.
Rundt 2016 bestemte han seg for å gå inn i virksomheten med å vokse TMD-er av forskningsgrad. Han rekrutterte en postdoktor, Daniel Rhodes, med erfaring med å dyrke krystaller ved å smelte pulver av råmaterialer ved ekstremt høye temperaturer og deretter avkjøle dem i et istempo. "Det er som å dyrke steingodteri fra sukker i vann," forklarte Hone. Den nye prosessen tok en måned, sammenlignet med noen dager for kommersielle metoder. Men den produserte TMD-krystaller hundrevis til tusenvis av ganger bedre enn de som er til salgs i kjemiske kataloger.
Før Shan og Mak kunne dra nytte av Hones stadig mer uberørte krystaller, sto de overfor den uglamorøse oppgaven å finne ut hvordan de skulle jobbe med mikroskopiske flak som ikke liker å akseptere elektroner. For å pumpe inn elektroner (grunnlaget for transportteknikken Mak hadde plukket opp som postdoktor), var paret besatt av utallige detaljer: hvilken type metall de skal bruke til elektroden, hvor langt fra TMD den skal plasseres, til og med hvilke kjemikalier som skal brukes til elektroden. bruk for å rengjøre kontaktene. Å prøve ut de endeløse måtene å sette opp elektroder på var sakte og arbeidskrevende - "en tidkrevende prosess med å foredle dette eller foredle det bit for bit," sa Mak.
De brukte også år på å finne ut hvordan de skulle løfte og stable de mikroskopiske flakene, som bare måler en tiendedels milliondeler av en meter i diameter. Med denne evnen, pluss Hones krystaller og forbedrede elektriske kontakter, kom alt sammen i 2018. Paret flyttet til Ithaca, New York, for å ta nye stillinger hos Cornell, og en kaskade av banebrytende resultater kom ut av laboratoriet deres.
Gjennombrudd hos Cornell
"I dag er alt vanskelig å plukke opp av en eller annen grunn," sa Zhengchao Xia, en doktorgradsstudent i Mak og Shans gruppe, da den mørke silhuetten av et bornitridflak truet med å flasse av og falle tilbake til silisiumoverflaten under. Det Madagaskar-formede arket klamret seg svakt til en grafittklump som lignet Saudi-Arabia, omtrent som papir kan klamre seg til den knitrende overflaten til en nylig gnidd ballong. Grafitten ble på sin side festet til en klebrig duggdråpe av plast festet til et glassglass. Xia brukte et datamaskingrensesnitt for å dirigere et motorisert stativ som grep tak i lysbildet. Som en arkadegjenger kunne manøvrere en klomaskin med en joystick, løftet hun forsiktig stabelen opp i luften med en hastighet på en femtedel av en milliondels meter per museklikk, og stirret intenst på dataskjermen for å se om hun hadde fanget bornitridflaket med hell.
Hun hadde. Med noen flere klikk kom to-lagsstabelen fri, og Xia beveget seg raskt, men bevisst for å legge flakene på et tredje materiale innebygd med viltvoksende metallelektroder. Med noen flere klikk varmet hun opp overflaten og smeltet glassets plastlim før noen av oss kunne nyse bort den mikroskopiske enheten.
"Jeg har alltid dette marerittet at det bare forsvinner," sa hun.
Fra start til slutt hadde det tatt Xia mer enn en time å sette sammen den nederste halvdelen av en enkel enhet - tilsvarende en åpen PB&J. Hun viste meg en annen stabel hun nylig hadde satt sammen og raslet av noen av ingrediensene, som inkluderte TMDs wolframdiselenid og molyditelluride. En av dusinvis av mikroskopiske smørbrød hun har konstruert og studert i løpet av det siste året, denne Dagwood av en enhet hadde hele 10 lag og tok flere timer å sette sammen.
Denne stablingen av 2D-materialer, som også gjøres i laboratorier ved Columbia, Massachusetts Institute of Technology, Berkeley, Harvard og andre institusjoner, representerer realiseringen av en langvarig drøm for fysikere av kondensert materie. Ikke lenger er forskere begrenset til materialer som finnes i bakken eller dyrkes sakte i et laboratorium. Nå kan de leke med atomekvivalenten til legoklosser, knipse sammen ark for å bygge skreddersydde strukturer med ønskede egenskaper. Når det gjelder montering av TMD-strukturer, er det få som har gått så langt som Cornell-gruppen.
Mak og Shans første store oppdagelse ved Cornell gjaldt eksitoner, de sterkt bundne elektron-hull-parene de hadde sett i TMD-er tilbake i 2014. Excitons intrigerer fysikere fordi disse "kvasipartikler” kan tilby en rundvei for å oppnå et flerårig mål for kondensert materiefysikk: superledning ved romtemperatur.
Excitoner spiller etter de samme funky reglene som elektron-elektronpar; Disse elektron-hull-parene blir også bosoner, noe som lar dem "kondensere" til en delt kvantetilstand kjent som et Bose-Einstein-kondensat. Denne sammenhengende horden av kvasipartikler kan vise kvantetrekk som superfluiditet, evnen til å flyte uten motstand. (Når en supervæske fører elektrisk strøm, superleder den.)
Men i motsetning til frastøtende elektroner, elsker elektroner og hull å koble seg sammen. Forskere sier at dette potensielt gjør limet deres sterkere. Utfordringene til eksitonbasert superledning ligger i å hindre elektronet i å fylle hullet, og få de elektrisk nøytrale parene til å flyte i en strøm - alt i et så varmt rom som mulig. Så langt har Mak og Shan løst det første problemet og har en plan for å takle det andre.
Skyer av atomer kan lokkes til å danne kondensat ved å kjøle dem ned til et hår over absolutt null med kraftige lasere. Men teoretikere har lenge mistenkt at kondensat av eksitoner kan dannes ved høyere temperaturer. Cornell-gruppen gjorde denne ideen til virkelighet med sine stablebare TMD-er. Ved å bruke en to-lags sandwich la de ekstra elektroner i topplaget og fjernet elektroner fra bunnen og etterlot hull. Elektronene og hullene paret seg sammen, og lager eksitoner som har lang levetid fordi elektronene har problemer med å hoppe til det motsatte laget for å nøytralisere partnerne deres. I oktober 2019, gruppen rapporterte tegn av et exciton-kondensat på milde 100 kelvin. I dette oppsettet vedvarte eksitonene i titalls nanosekunder, en levetid for denne typen kvasipartikler. Høsten 2021, beskrev gruppen et forbedret apparat der eksitoner ser ut til å vare i millisekunder, som Mak kalte «praktisk talt for alltid».
Laget forfølger nå en ordning laget av teoretikere i 2008 for å skape en eksitonstrøm. Allan MacDonald, en fremtredende teoretiker av kondensert materie ved University of Texas, Austin, og hans doktorgradsstudent Jung-Jung Su foreslo å få nøytrale eksitoner til å flyte ved å bruke et elektrisk felt orientert på en måte som oppmuntrer både elektroner og hull til å bevege seg i samme retning. For å klare det i laboratoriet, må Cornell-gruppen igjen kjempe med sin evige fiende, elektriske kontakter. I dette tilfellet må de feste flere sett med elektroder til TMD-lagene, noen for å produsere eksitonene og andre for å flytte dem.
Shan og Mak tror de er på vei til å få eksitoner til å strømme med opptil 100 kelvin snart. Det er et kaldt rom for en person (-173 grader Celsius eller -280 grader Fahrenheit), men det er et stort sprang fra nanokelvin-forholdene som de fleste bosoniske kondensater trenger.
"Det vil i seg selv være en fin prestasjon," sa Mak med et lurt smil, "å varme opp temperaturen med en milliard ganger."
Magiske Moiré-materialer
I 2018, mens Cornell-laboratoriet økte sine TMD-eksperimenter, lanserte en annen grafenoverraskelse en andre 2D-materialrevolusjon. Pablo Jarillo-Herrero, en forsker ved MIT og en annen Columbia alun, kunngjorde at vri ett lag med grafen i forhold til laget under skapte et magisk nytt 2D-materiale. Hemmeligheten var å slippe det øvre laget slik at sekskantene landet med en liten "vridning", slik at de ble rotert nøyaktig 1.1 grader mot sekskantene under. Denne vinkelfeiljusteringen forårsaker en forskyvning mellom atomer som vokser og krymper når du beveger deg over et materiale, og genererer et repeterende mønster av store "superceller" kjent som et moiré-supergitter. MacDonald og en kollega hadde beregnet i 2011 at ved den "magiske vinkelen" på 1.1 grader, ville den unike krystallstrukturen til supergitteret tvinge grafens elektroner til å bremse og føle frastøtingen til naboene.
Når elektroner blir oppmerksomme på hverandre, skjer rare ting. I normale isolatorer, ledere og halvledere antas elektroner å samhandle bare med atomgitteret; de raser rundt for raskt til å legge merke til hverandre. Men sakte ned til en krypning, kan elektroner dytte hverandre og kollektivt anta et utvalg av eksotiske kvantetilstander. Jarillo-Herreros eksperimenter viste at for dårlig forstått grunner til at denne elektron-til-elektron-kommunikasjonen i vridd grafen med magisk vinkel gir opphav til en spesielt sterk form for superledning.
Grafen moiré-supergitteret introduserte også forskere til en radikal ny måte å kontrollere elektroner på. I supergitteret blir elektronene uvitende om de enkelte atomene og opplever selve supercellene som om de var gigantiske atomer. Dette gjør det enkelt å fylle supercellene med nok elektroner til å danne kollektive kvantetilstander. Ved å bruke et elektrisk felt for å ringe opp eller ned det gjennomsnittlige antallet elektroner per supercelle, var Jarillo-Herreros gruppe i stand til å få sin vridde tolags grafenenhet til å fungere som en superleder, fungere som en isolator, eller vis en flåte av andre, fremmed elektronatferd.
Fysikere over hele verden stormet inn i det begynnende feltet av "twistronics". Men mange har funnet ut at vridning er tøft. Atomer har ingen grunn til å falle pent inn i den "magiske" 1.1-graders feiljusteringen, så arkene rynker på måter som fullstendig endrer egenskapene deres. Xia, Cornell-studenten, sa at hun har en haug med venner ved andre universiteter som jobber med vridde enheter. Å lage en fungerende enhet tar dem vanligvis dusinvis av forsøk. Og selv da oppfører hver enhet seg forskjellig, så spesifikke eksperimenter er nesten umulige å gjenta.
TMD-er presenterer en langt enklere måte å lage moiré-supergitter på. Fordi forskjellige TMD-er har sekskantede gitter av forskjellige størrelser, vil stabling av et gitter med litt større sekskanter over et mindre gitter skape et moiré-mønster akkurat slik vinkelfeiljustering gjør. I dette tilfellet, fordi det ikke er noen rotasjon mellom lagene, er det mer sannsynlig at stabelen klikker på plass og holder seg i ro. Når Xia tar sikte på å lage en TMD moiré-enhet, sa hun, at hun generelt lykkes fire av fem ganger.
TMD moiré-materialer er ideelle lekeplasser for å utforske elektroninteraksjoner. Fordi materialene er halvledere, blir elektronene deres tunge når de går gjennom materialene, i motsetning til de frenetiske elektronene i grafen. Og de gigantiske moiré-cellene bremser dem ytterligere: Mens elektroner ofte beveger seg mellom atomer ved å "tunnelere", en kvantemekanisk oppførsel som ligner på teleportering, skjer tunnelering sjelden i et moiré-gitter, siden supercellene sitter omtrent 100 ganger lenger fra hverandre enn atomene inne i dem. . Avstanden hjelper elektronene å slå seg ned og gir dem en sjanse til å kjenne naboene sine.
Shan og Maks vennlige rival, Feng Wang, var en av de første som oppdaget potensialet til TMD moiré-supergitter. Baksideberegninger antydet at disse materialene skulle gi opphav til en av de enkleste måtene elektroner kan organisere på - en tilstand kjent som en Wigner-krystall, der gjensidig frastøting låser sløve elektroner på plass. Wangs team så tegn på slike tilstander i 2020 og publisert det første bildet av elektroner som holder hverandre på armlengdes avstand Natur i 2021. Da hadde ordet om Wangs TMD-moiré-aktiviteter allerede spredt seg gjennom det sammensveisete 2D-fysikksamfunnet, og Cornell TMD-fabrikken var i ferd med å lage egne TMD-moiré-enheter. Shan og Mak rapporterte også bevis for Wigner-krystaller i TMD-supergitter i 2020 og oppdaget i løpet av måneder at elektroner i enhetene deres kunne krystallisere i nesten to dusin forskjellige Wigner-krystallmønstre.
Samtidig laget Cornell-gruppen også TMD-moiré-materialer til et elektroverktøy. MacDonald og samarbeidspartnere hadde spådd i 2018 at disse enhetene har den rette kombinasjonen av tekniske funksjoner for å gjøre dem perfekt representere en av de viktigste leketøysmodellene i fysikk av kondensert materie. Hubbard-modellen, som den kalles, er et teoretisert system som brukes til å forstå et bredt spekter av elektronadferd. Uavhengig foreslått av Martin Gutzwiller, Junjiro Kanamori og John Hubbard i 1963, er modellen fysikernes beste forsøk på å strippe den praktisk talt uendelige variasjonen av krystallinske gitter til deres mest essensielle egenskaper. Se for deg et rutenett av atomer som er vert for elektroner. Hubbard-modellen antar at hvert elektron føler to konkurrerende krefter: Det ønsker å bevege seg ved å gå i tunnel til naboatomer, men det blir også frastøtt av naboene, noe som gjør at det ønsker å bli der det er. Ulik atferd oppstår avhengig av hvilket ønske som er sterkest. Det eneste problemet med Hubbard-modellen er at i alle unntatt det enkleste tilfellet - en 1D-streng av atomer - er den matematisk uløselig.
I følge MacDonald og kollegene kan TMD-moiré-materialer fungere som «simulatorer» av Hubbard-modellen, og potensielt løse noen av feltets dypeste mysterier, for eksempel naturen til limet som binder elektroner til superledende par i kuprater. I stedet for å slite med en umulig ligning, kunne forskere sette elektroner løs i en TMD-sandwich og se hva de gjorde. "Vi kan skrive ned denne modellen, men det er veldig vanskelig å svare på mange viktige spørsmål," sa MacDonald. "Nå kan vi gjøre det bare ved å gjøre et eksperiment. Det er virkelig banebrytende."
For å bygge sin Hubbard-modellsimulator, stablet Shan og Mak lag med wolframdiselenid og wolframsulfid for å lage et moiré-supergitter, og de festet elektroder for å ringe opp eller ned et elektrisk felt som går gjennom TMD-sandwichen. Det elektriske feltet styrte hvor mange elektroner som ville fylle hver supercelle. Siden cellene fungerer som gigantiske atomer, var det å gå fra ett elektron til to elektroner per supercelle som å transformere et gitter av hydrogenatomer til et gitter av heliumatomer. I deres første Hubbard-modellpublikasjon in Natur i mars 2020 rapporterte de om simulering av atomer med opptil to elektroner; i dag kan de gå opp til åtte. På en eller annen måte hadde de innsett det gamle målet om å gjøre bly til gull. "Det er som å stille inn kjemi," sa Mak, "å gå gjennom det periodiske systemet." I prinsippet kan de til og med trylle frem et rutenett av fiktive atomer med for eksempel 1.38 elektroner hver.
Deretter så gruppen til hjertene til de kunstige atomene. Med flere elektroder kunne de kontrollere supercellenes "potensiale" ved å gjøre endringer som ligner på å legge positive protoner til sentrene til de gigantiske syntetiske atomene. Jo mer ladning en kjerne har, desto vanskeligere er det for elektroner å tunnelere bort, så dette elektriske feltet lar dem heve og senke hoppetendensen.
Mak og Shans kontroll over de gigantiske atomene – og derfor Hubbard-modellen – var fullført. TMD-moiré-systemet lar dem tilkalle et rutenett av ersatz-atomer, selv de som ikke finnes i naturen, og jevnt transformere dem som de ønsker. Det er en kraft som, selv for andre forskere på feltet, grenser til magisk. "Hvis jeg skulle trekke frem deres mest spennende og imponerende innsats, er det den," sa Kim.
Cornell-gruppen brukte raskt designeratomene sine for å avgjøre en 70 år gammel debatt. Spørsmålet var: Hva om du kunne ta en isolator og justere atomene for å gjøre den om til et ledende metall? Ville overgangen skje gradvis eller brått?
Med sin moiré-alkymi gjennomførte Shan og Mak tankeeksperimentet i laboratoriet deres. Først simulerte de tunge atomer, som fanget elektroner slik at TMD-supergitteret fungerte som en isolator. Så krympet de atomene, og svekket fellen til elektronene ble i stand til å hoppe til frihet, og lot supergitteret bli et ledende metall. Ved å observere en gradvis fallende elektrisk motstand etter hvert som supergitteret fungerte mer og mer som et metall, viste de at overgangen ikke er brå. Dette funnet, som kunngjorde de in Natur i fjor, åpner muligheten for at supergitterets elektroner kan være i stand til å oppnå en lenge søkt type fluiditet kjent som en kvantespinnvæske. "Det kan være det mest interessante problemet man kan takle," sa Mak.
Nesten samtidig var paret heldig med det noen fysikere anser som deres viktigste oppdagelse til nå. "Det var faktisk en total ulykke," sa Mak. "Ingen forventet det."
Da de startet sin Hubbard-simulatorforskning, brukte forskerne TMD-sandwicher der sekskantene på de to lagene er på linje, med overgangsmetaller på overgangsmetaller og kalkogenider på toppen av kalkogenider. (Det var da de oppdaget den gradvise overgangen mellom isolator og metall.) Så gjentok de tilfeldigvis eksperimentet med enheter der det øverste laget var stablet bakover.
Som før begynte motstanden å falle da elektronene begynte å hoppe. Men så stupte den brått og gikk så lavt at forskerne lurte på om moiréen hadde begynt å superlede. Utforsker videre, men de målte et sjeldent mønster av motstand kjent som den kvanteanomale Hall-effekten - bevis på at noe enda merkeligere var på gang. Effekten indikerte at krystallstrukturen til enheten tvang elektroner langs kanten av materialet til å virke annerledes enn de i midten. I midten av enheten ble elektroner fanget i en isolerende tilstand. Men rundt omkretsen strømmet de i én retning - og forklarer den superlave motstanden. Ved et uhell hadde forskerne skapt en ekstremt uvanlig og skjør type materie kjent som en Chern-isolator.
Den kvante anomale halleffekten, ble først observert i 2013, faller vanligvis fra hverandre hvis temperaturen stiger over noen hundredeler av en kelvin. I 2019 hadde Youngs gruppe i Santa Barbara sett det inn en engangs vridd grafen sandwich på rundt 5 kelvin. Nå hadde Shan og Mak oppnådd effekten ved nesten samme temperatur, men i en no-twist TMD-enhet som alle kan gjenskape. "Vår var en høyere temperatur, men jeg tar dem hver dag fordi de kan gjøre det 10 ganger på rad," sa Young. Det betyr at du kan forstå det "og bruke det til å faktisk gjøre noe."
Mak og Shan tror at de med litt fikling kan bruke TMD-moiré-materialer til å bygge Chern-isolatorer som overlever til 50 eller 100 kelvin. Hvis de lykkes, kan arbeidet føre til en annen måte å få strøm til å flyte uten motstand - i det minste for små "nanoledninger", som de kanskje til og med kan slå av og på på bestemte steder i en enhet.
Leting i Flatland
Selv når landemerkeresultatene hoper seg opp, viser paret ingen tegn til å senke farten. Dagen jeg besøkte, så Mak på mens elevene fiklet med et høye fortynningskjøleskap som ville la dem kjøle ned enhetene sine til temperaturer som er tusen ganger kaldere enn det de har jobbet med så langt. Det har vært så mye fysikk å oppdage under "varmere" forhold at gruppen ikke har hatt en sjanse til å søke grundig i det dypere kryogene riket etter tegn på superledning. Hvis superkjøleskapet lar TMDs superlede, vil det svare på enda et spørsmål, som viser det en form for magnetisme som er iboende til cuprates (men fraværende fra TMD-er) er ikke en viktig ingrediens i det elektronbindende limet. "Det er som å drepe en av de viktige komponentene som teoretikere virkelig ønsket å drepe i lang tid," sa Mak.
Han og Shan og gruppen deres har ikke engang begynt å eksperimentere med noen av de funkigere TMD-ene. Etter å ha brukt år på å finne opp utstyret som trengs for å bevege seg rundt på kontinentet av 2D-materialer, er de endelig klar til å våge seg utover molydisulfid-strandhodet de landet på tilbake i 2010.
De to forskerne tilskriver suksessen sin til en samarbeidskultur som de absorberte ved Columbia. Det første samarbeidet med Hone som introduserte dem for molydisulfid, sier de, var bare en av de mange mulighetene de nøt fordi de var frie til å følge nysgjerrigheten sin. "Vi trengte ikke å diskutere" planene deres med Heinz, lederen av laboratoriet deres, sa Shan. «Vi snakket med folk fra andre grupper. Vi gjorde eksperimentene. Vi har til og med pakket opp ting.»
I dag fostrer de et lignende avslappet miljø på Cornell, hvor de fører tilsyn med et par dusin postdoktorer, besøkende forskere og studenter, som alle stort sett står fritt til å gjøre sine egne ting. "Studenter er veldig smarte og har gode ideer," sa Mak. «Noen ganger vil du ikke blande deg inn.»
Ekteskapet deres gjør også laboratoriet deres unikt. De to har lært å lene seg inn i sine personlige styrker. Foruten en overflod av kreativitet som eksperimentell, besitter Shan en forsiktig disiplin som gjør henne til en god leder; mens vi tre snakket sammen, dyttet hun ofte "Professor Fai" tilbake på sporet når hans entusiasme for fysikk presset ham for dypt inn i det tekniske. Mak på sin side liker å slite sammen med forskerne i tidlig karriere, både i og utenfor laboratoriet. Han begynte nylig med fjellklatring med gruppen. "Det virker som om laboratoriet deres er familien deres," sa Young. Shan og Mak fortalte meg at de oppnår mer sammen enn de kunne alene. "En pluss en er mer enn to," sa Mak.
Enhetene de bygger kan også stables opp til å være mer enn summen av delene deres. Når forskere slår sammen TMD-ark for å lage eksitoner og moiré-supergitter, spekulerer de i hvordan de nye måtene å temme elektroner på kan overlade teknologien. Selv om lommeklar superledning forblir unnvikende, kan Bose-Einstein-kondensater føre til ultrasensitive kvantesensorer, og bedre kontroll av Chern-lignende isolatorer kan muliggjøre kraftige kvantedatamaskiner. Og det er bare de åpenbare ideene. Inkrementelle forbedringer innen materialvitenskap legger ofte opp til radikale anvendelser som få så komme. Forskerne som utviklet transistoren, for eksempel, ville ha slitt med å forutsi smarttelefoner drevet av milliarder av mikroskopiske brytere fylt inn i en brikke på størrelse med en negl. Og forskerne som forsøkte å lage glassfiber som kunne bære lys over laboratoriebenken deres, kunne ikke ha forutsett at 10,000 XNUMX kilometer undersjøiske optiske fibre en dag ville koble sammen kontinenter. Todimensjonale materialer kan utvikle seg i lignende uforutsigbare retninger. "En virkelig ny materialplattform genererer sine egne applikasjoner i motsetning til å fortrenge eksisterende materialer," sa Heinz.
Mens de kjørte meg til Ithaca-busstoppet, fortalte Shan og Mak meg om en nylig (og sjelden) ferie de tok til Banff, Canada, hvor de nok en gang viste sin evne til å snuble over overraskelser gjennom en blanding av innsats og flaks. De hadde brukt dager på å prøve – forgjeves – å få øye på en bjørn. Så, på slutten av turen, på vei til flyplassen, stoppet de for å strekke på beina ved et botanisk reservat og fant seg selv ansikt til ansikt med en svartbjørn.
På samme måte, med kondensert materiefysikk, er deres tilnærming å vandre rundt sammen i et nytt landskap og se hva som dukker opp. "Vi har ikke mye teoretisk veiledning, men vi bare tuller og leker med eksperimenter," sa Mak. "Det kan mislykkes, men noen ganger kan du støte på noe veldig uventet."
