Molibdenit, nawet dla wprawnego oka, wygląda prawie identycznie jak grafit – lśniący, srebrzysty kryształ. Działa podobnie, złuszczając płatki w sposób, który byłby dobrym wypełnieniem ołówka. Ale dla elektronu te dwie siatki atomów tworzą różne światy. Wyróżnienie po raz pierwszy weszło do rekordu naukowego 244 lata temu. Carl Scheele, szwedzki chemik znany ze swojego odkrycia tlenu, zanurzał każdy minerał w różnych kwasach i obserwował przerażające chmury gazu, które wystrzeliły w górę. Scheele, który ostatecznie zapłacił za to podejście życiem, umierając z powodu podejrzenia zatrucia metalami ciężkimi w wieku 43 lat, doszedł do wniosku, że molibdenit jest nową substancją. Opisując to w liście do Królewskiej Szwedzkiej Akademii Nauk w 1778 r., napisał: „Nie mam tu na myśli powszechnie znanego grafitu, który można nabyć od aptekarza. Ten metal przejściowy wydaje się być nieznany”.
Ze względu na tendencję do kruszenia się na sproszkowane fragmenty molibdenit stał się w XX wieku popularnym smarem. Pomagało to nartom ślizgać się dalej po śniegu i wygładzało wypadanie pocisków z luf karabinów w Wietnamie.
Dziś ta sama niestabilność napędza rewolucję fizyki.
Przełomy zaczęły się od grafitu i taśmy Scotch. W 2004 roku naukowcy przypadkowo odkryli, że mogą użyć taśmy do odklejania płatków grafitu o grubości zaledwie jednego atomu. Te krystaliczne arkusze, każdy płaski układ atomów węgla, miały zdumiewające właściwości, które radykalnie różniły się od właściwości trójwymiarowych kryształów, z których pochodziły. Grafen (jak nazwali go jego odkrywcy) był zupełnie nową kategorią substancji — materiałem 2D. Jego odkrycie przekształciło fizykę materii skondensowanej, gałąź fizyki, która stara się zrozumieć wiele form i zachowań materii. Prawie połowa wszystkich fizyków to fizycy materii skondensowanej; to poddziedzina, która przyniosła nam chipy komputerowe, lasery, żarówki LED, urządzenia do rezonansu magnetycznego, panele słoneczne i wszelkiego rodzaju nowoczesne cuda techniki. Po odkryciu grafenu tysiące fizyków materii skondensowanej rozpoczęło badanie nowego materiału, mając nadzieję, że będzie on wspierał przyszłe technologie.
Odkrywcy Graphene otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 2010 roku. W tym samym roku dwóch młodych fizyków z Columbia University, Jie Shan i Kin Fai Mak, dostrzegła oznaki, że płatki molibdenitu mogą być nawet bardziej magiczne niż grafen. Mniej znany minerał ma właściwości, które utrudniają badanie – zbyt trudne dla wielu laboratoriów – ale urzekł Shan i Mak. Ten wytrwały duet poświęcił prawie dekadę na zmaganie się z molibdenitem 2D (lub dwusiarczkiem molibdenu, jak nazywa się laboratoryjną wersję kryształu) i rodziną blisko spokrewnionych kryształów 2D.
Teraz ich wysiłek się opłaca. Shan i Mak, którzy obecnie są małżeństwem i prowadzą wspólną grupę badawczą na Cornell University, wykazali, że dwuwymiarowe kryształy dwusiarczku molibdenu i jego krewnych mogą powodować ogromną różnorodność egzotycznych zjawisk kwantowych. „To szalony plac zabaw”, powiedział Jamesa Hone’a, naukowiec z Columbii, który zaopatruje laboratorium Cornell w wysokiej jakości kryształy. „Możesz wykonać całą współczesną fizykę materii skondensowanej w jednym materialnym systemie”.
Grupa Shana i Maka przechwyciła elektrony zachowujące się w tych płaskich kryształach w niespotykany dotąd sposób. Nakłonili cząstki do połączenia się w płyn kwantowy i zamrożenia w szereg struktur podobnych do lodu. Nauczyli się składać siatki gigantycznych sztucznych atomów, które obecnie służą jako stanowiska testowe dla fundamentalnych teorii materii. Od czasu otwarcia laboratorium Cornell w 2018 roku mistrzowie poskramiaczy elektronów opublikowali w tym roku osiem przykuwających wzrok artykułów Natura, najbardziej prestiżowe czasopismo naukowe, a także szereg dalszych artykułów. Teoretycy twierdzą, że para poszerza zrozumienie tego, do czego zdolne są tłumy elektronów.
Ich badania „wykonują głębokie wrażenie pod wieloma względami” – powiedział Filip Kim, wybitny fizyk materii skondensowanej z Uniwersytetu Harvarda. „Jest, powiedziałbym, rewelacyjny”.
Powstanie materiałów 2D
Atrybuty materiału generalnie odzwierciedlają to, co robią jego elektrony. W przewodnikach, takich jak na przykład metale, elektrony z łatwością przemieszczają się między atomami, przenosząc prąd elektryczny. W izolatorach, takich jak drewno i szkło, elektrony pozostają na swoim miejscu. Półprzewodniki, takie jak krzem, znajdują się pomiędzy: ich elektrony mogą być zmuszone do poruszania się z dopływem energii, co czyni je idealnymi do włączania i wyłączania prądów — zadanie tranzystora. W ciągu ostatnich 50 lat, poza tymi trzema podstawowymi zachowaniami elektronów, fizycy materii skondensowanej zaobserwowali, jak lekkie naładowane cząstki zachowują się na wiele bardziej egzotycznych sposobów.
Jedna z bardziej dramatycznych niespodzianek miała miejsce w 1986 roku, kiedy dwóch badaczy IBM, Georg Bednorz i Alex Müller, wykryte prąd elektronów poruszający się przez kryształ tlenku miedzi („miedziany”) bez jakiegokolwiek oporu. To nadprzewodnictwo — zdolność elektryczności do przepływu z idealną wydajnością — było widziane już wcześniej, ale tylko z dobrze zrozumiałych powodów w materiałach schłodzonych do kilku stopni zera absolutnego. Tym razem Bednorz i Müller zaobserwowali tajemniczą formę zjawiska, która utrzymywała się przy rekordowym poziomie 35 kelwinów (czyli 35 stopni powyżej zera absolutnego). Naukowcy wkrótce odkryli inne miedziany, które nadprzewodzą powyżej 100 kelwinów. Narodziło się marzenie, które pozostaje prawdopodobnie głównym celem dzisiejszej fizyki materii skondensowanej: znalezienie lub zaprojektowanie substancji, która może nadprzewodzić elektryczność w naszym gorącym, mniej więcej 300-kelwinowym świecie, umożliwiając bezstratne linie energetyczne, lewitujące pojazdy i inne niezwykle wydajne urządzenia, które znacznie zmniejszyłoby potrzeby energetyczne ludzkości.
Kluczem do nadprzewodnictwa jest nakłonienie elektronów, które normalnie odpychają się od siebie, do parowania i tworzenia jednostek znanych jako bozony. Bozony mogą następnie wspólnie stopić się w płynny płyn kwantowy. Przyciągające siły, które tworzą bozony, takie jak drgania atomów, mogą normalnie przezwyciężyć odpychanie elektronów tylko w temperaturach kriogenicznych lub wysokie ciśnienie. Jednak potrzeba tych ekstremalnych warunków zapobiegła przedostawaniu się nadprzewodnictwa do urządzeń codziennego użytku. Odkrycie miedzianów wzbudziło nadzieje, że właściwa sieć atomowa może „skleić” elektrony tak mocno, że utkną one nawet w temperaturze pokojowej.
Idąc 40 lat po odkryciu Bednorza i Müllera, teoretycy wciąż nie są do końca pewni, jak działa klej w miedzianach, a tym bardziej jak poprawić materiały, aby go wzmocnić. Tak więc wiele badań w fizyce materii skondensowanej polega na próbie i błędach poszukiwania kryształów, które mogą utrzymywać pary elektronów lub przekazywać elektrony na inne cudowne sposoby. „Materia skondensowana jest gałęzią fizyki, która pozwala na zbiegi okoliczności” – powiedział Kim. Takie było odkrycie materiałów 2004D w 2 roku.
Andre Geim i Konstantin Nowosiołow, pracująca z grafitem na Uniwersytecie w Manchesterze w Wielkiej Brytanii, odkryty szokująca konsekwencja łuszczenia się materiału. Kryształ grafitu zawiera atomy węgla ułożone w luźno związane arkusze sześciokątów. Teoretycy od dawna przewidywali, że bez stabilizującego wpływu stosu drgania wywołane ciepłem rozbiją jednowarstwowy arkusz. Ale Geim i Novoselov odkryli, że mogą odklejać stabilne, atomowo cienkie arkusze za pomocą niewiele więcej niż taśma klejąca i wytrwałość. Grafen był pierwszym naprawdę płaskim materiałem — płaszczyzną, po której elektrony mogą się ślizgać, ale nie w górę ani w dół.
Hone, fizyk z Kolumbii, odkrył, że najcieńszy materiał na świecie jest w jakiś sposób także najsilniejszy. To było niezwykłe zdenerwowanie dla materiału, o którym teoretycy myśleli, że w ogóle się nie połączy.
To, co najbardziej intrygowało fizyków w grafenie, to sposób, w jaki równina węglowa przekształca elektrony: nic nie może ich spowolnić. Elektrony często potykają się o sieć atomów, przez którą się poruszają, działając cięższe niż ich podręcznikowa masa (nieruchome elektrony izolatora zachowują się tak, jakby miały nieskończoną masę). Jednak płaska siatka grafenu pozwala elektronom wirować z prędkością miliona metrów na sekundę — tylko kilkaset razy wolniej niż prędkość światła. Przy tej stałej, zawrotnej prędkości elektrony leciały, jakby nie miały żadnej masy, błogosławiąc grafen ekstremalną (choć nie nadmierną) przewodnością.
Wokół cudownego materiału wyrosło całe pole. Badacze zaczęli też myśleć szerzej. Czy dwuwymiarowe płatki innych substancji mogą zawierać własne supermoce? Hone był wśród tych, którzy się rozgałęzili. W 2 roku zmierzył niektóre właściwości mechaniczne doppelgängera grafitu, dwusiarczku molibdenu, a następnie przekazał kryształ dwóm specjalistom optycznym w laboratorium Columbia Tony'ego Heinza. To było przypadkowe posunięcie, które zmieniło kariery wszystkich zaangażowanych osób.
Próbka dwusiarczku molibdenu trafiła w ręce Jie Shan, profesor wizytującej na początku jej kariery, i Kin Fai Mak, absolwenta. Młody duet badał, jak grafen oddziałuje ze światłem, ale już zaczęli marzyć o innych materiałach. Szybkie elektrony grafenu czynią z niego fantastyczny przewodnik, ale tym, czego szukali, był półprzewodnik 2D — materiał, którego przepływ elektronów mogliby włączać i wyłączać, a zatem mógłby służyć jako tranzystor.
Wiadomo, że dwusiarczek molibdenu jest półprzewodnikiem. A Shan i Mak wkrótce odkryli, że podobnie jak grafit, zyskał dodatkowe moce w 2D. Kiedy skierowali laser na trójwymiarowe kryształy „dwusiarczku moli” (jak to czule nazywają), kryształy pozostały ciemne. Ale kiedy Shan i Mak oderwali warstwy taśmą klejącą, uderzyli je laserem i zbadali pod mikroskopem, zobaczyli, że arkusze 3D lśnią jasno.
Badania innych grup potwierdziły później, że dobrze wykonane arkusze blisko spokrewnionego materiału odzwierciedlają każdy ostatni foton, który w nie trafi. „To trochę zadziwiające”, powiedział niedawno Mak, kiedy spotkałem go i Shan w ich wspólnym biurze w Cornell. „Masz tylko jeden arkusz atomów, który może odbijać 100% światła jak idealne lustro”. Zdali sobie sprawę, że ta właściwość może prowadzić do powstania spektakularnych urządzeń optycznych.
Niezależnie, Feng Wang, fizyk z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley dokonał tego samego odkrycia. Uwagę społeczności przykuł materiał 2D, który był bardzo odblaskowy, a do tego półprzewodnik. Obie grupy opublikowali swoje ustalenia w 2010 r.; gazety otrzymały od tego czasu ponad 16,000 2 cytowań. „Wszyscy korzystający z laserów zaczęli bardzo interesować się materiałami XNUMXD” – powiedział Hone.
Poprzez zidentyfikowanie dwusiarczku molibdenu jako drugiego cudownego materiału 2D, dwie grupy wylądowały na całym kontynencie materiałów 2D. Dwusiarczek molibdenu należy do rodziny substancji znanych jako dichalkogenidy metali przejściowych (TMD), w których atomy z metalicznego środkowego obszaru układu okresowego, takie jak molibden, łączą się z parami związków chemicznych znanych jako chalkogenki, takie jak siarka. Dwusiarczek Moly jest jedynym naturalnie występującym TMD, ale są dziesiątki więcej że naukowcy mogą bić w laboratoriach — dwusiarczek wolframu, ditelluryd molibdenu i tak dalej. Większość tworzy słabo związane arkusze, co sprawia, że są podatne na biznesową stronę kawałka taśmy.
Początkowa fala podekscytowania wkrótce jednak opadła, ponieważ naukowcy starali się sprawić, by TMD nie tylko świeciły. Grupa Wanga, na przykład, wróciła do grafenu po stwierdzeniu, że nie mogą łatwo przymocować metalowych elektrod do dwusiarczku molibdenu. „To była przeszkoda dla naszej grupy przez kilka lat” – powiedział. „Nawet teraz nie jesteśmy zbyt dobrzy w nawiązywaniu kontaktów”. Wydawało się, że główną przewagą TMD nad grafenem była również ich największa słabość: aby zbadać właściwości elektroniczne materiału, naukowcy muszą często wpychać do niego elektrony i mierzyć rezystancję powstałego prądu. Ale ponieważ półprzewodniki są słabymi przewodnikami, trudno jest wprowadzić lub wyprowadzić elektrony.
Mak i Shan początkowo czuli się ambiwalentnie. „Było naprawdę niejasne, czy powinniśmy dalej pracować nad grafenem, czy zacząć pracować nad tym nowym materiałem” – powiedział Mak. „Ale odkąd odkryliśmy, że ma tę przyjemną właściwość, kontynuowaliśmy kilka dodatkowych eksperymentów”.
Podczas pracy obaj badacze byli coraz bardziej zauroczeni dwusiarczkiem moli i sobą nawzajem. Początkowo ich kontakt był profesjonalny, ograniczał się w dużej mierze do e-maili badawczych. „Fai często pytał: 'Gdzie jest ten sprzęt? Gdzie to położyłeś?'” powiedziała Shan. Ale w końcu ich związek, inkubowany przez długie godziny i katalizowany przez eksperymentalny sukces, stał się romantyczny. „Po prostu widywaliśmy się zbyt często, dosłownie w tym samym laboratorium pracującym nad tym samym projektem” – powiedział Mak. „Projekt działał bardzo dobrze również nas uszczęśliwił.”
Cała fizyka przez cały czas
Potrzeba było partnerstwa dwóch oddanych fizyków z żelazną dyscypliną, aby poskromić kłopotliwe TMD.
Akademicy zawsze przychodzili łatwo do Shan. Dorastając w latach 1970. w nadmorskiej prowincji Zhejiang, była gwiazdą studiów, wyróżniała się matematyką, naukami ścisłymi i językiem oraz zdobyła upragnione miejsce na Uniwersytecie Nauki i Technologii Chin w Hefei. Tam zakwalifikowała się do selektywnego programu wymiany kulturalnej między Chinami a Związkiem Radzieckim i skorzystała z szansy studiowania rosyjskiego i fizyki na Moskiewskim Uniwersytecie Państwowym. „Kiedy jesteś nastolatkiem, masz ochotę odkrywać świat” – powiedziała. „Nie wahałem się”.
Od razu zobaczyła więcej świata, niż się spodziewała. Kłopoty wizowe opóźniły jej przyjazd do Rosji o kilka miesięcy i straciła miejsce w programie językowym. Władze znalazły jej inny kurs i wkrótce po wylądowaniu w Moskwie wsiadła do pociągu i przejechała 5,000 kilometrów na wschód. Trzy dni później wraz z nadejściem zimy przybyła do miasta Irkuck na środku Syberii. „Rada, którą otrzymałem, brzmiała: „Nigdy, przenigdy nie dotykaj niczego bez rękawiczek””, powiedziała, żeby nie utknęła.
Shan założyła rękawiczki, nauczyła się rosyjskiego w ciągu jednego semestru i zaczęła doceniać surowe piękno zimowego krajobrazu. Po zakończeniu kursu i stopieniu śniegu wróciła do stolicy, aby rozpocząć studia z fizyki, przybywając do Moskwy wiosną 1990 roku, w samym środku rozpadu Związku Radzieckiego.
To były lata chaotyczne. Shan widział czołgi toczące się po ulicach w pobliżu uniwersytetu, gdy komuniści próbowali odzyskać kontrolę nad rządem. Innym razem, tuż po maturze, wybuchły walki. „Słyszeliśmy wystrzały i kazano nam wyłączyć światła w akademiku” – powiedziała. Wszystko, od jedzenia po papier toaletowy, było racjonowane za pomocą systemu kuponów. Niemniej jednak Shan poczuła inspirację odpornością swoich profesorów, którzy kontynuowali swoje badania pomimo zamieszania. „Warunki były trudne, ale wielu naukowców miało takie nastawienie. Naprawdę kochają to, co robią, niezależnie od tego, co się dzieje” – powiedziała.
Gdy upadł porządek światowy, Shan wyróżniła się, publikując artykuł z zakresu optyki teoretycznej, który przykuł uwagę Heinza na Columbii. Zachęcił ją do złożenia podania i przeniosła się do Nowego Jorku, gdzie od czasu do czasu pomagała innym studentom z zagranicy znaleźć się w obcym kraju. Na przykład zrekrutowała Wanga do pracy w laboratorium Heinza i podzieliła się eksperymentalnymi wskazówkami. „Nauczyła mnie, jak być cierpliwym”, powiedział, „i jak nie denerwować się laserem”.
Większość badaczy po zdobyciu doktoratu zajmuje stanowisko habilitacyjne, ale Shan dołączyła bezpośrednio do Case Western Reserve University jako profesor nadzwyczajny w 2001 roku. Kilka lat później, na urlopie naukowym, wróciła do laboratorium Heinza w Columbii. Tym razem jej czas był przypadkowy. Zaczęła współpracować z czarującym i jasnookim absolwentem grupy Heinza, Kin Fai Makiem.
Mak poszedł inną, mniej burzliwą ścieżką do Nowego Jorku. Dorastając w Hongkongu, zmagał się w szkole, ponieważ niewiele poza fizyką miało dla niego sens. „To była jedyna rzecz, która mi się podobała i była naprawdę dobra, więc wybrałem fizykę” – powiedział.
Jego badania licencjackie na uniwersytecie w Hongkongu wyróżniały się i Heinz zwerbował go, aby dołączył do dynamicznie rozwijającego się programu Columbii w dziedzinie fizyki materii skondensowanej. Tam poświęcił się badaniom, spędzając prawie wszystkie godziny na jawie w laboratorium, z wyjątkiem okazjonalnych meczów w piłkę nożną. Andrea Young, studentka studiów magisterskich (obecnie adiunkt na Uniwersytecie Kalifornijskim w Santa Barbara), dzieliła z Makiem mieszkanie na West 113th Street. „Miałem szczęście, gdybym mógł go złapać o drugiej nad ranem, żeby ugotował makaron i porozmawiał o fizyce. To była cała fizyka przez cały czas” – powiedział Young.
Ale dobre czasy nie trwały długo. Krótko po wycieczce z Youngiem do amazońskiego lasu deszczowego w Kolumbii Mak zachorował. Jego lekarze nie byli pewni, co sądzić z jego zagadkowymi wynikami testów, a on zachorował. Szczęśliwy zbieg okoliczności uratował mu życie. Young opisał sytuację swojemu ojcu, naukowcowi medycznemu, który natychmiast rozpoznał objawy niedokrwistości aplastycznej — niezwykłej choroby krwi, która akurat była przedmiotem jego własnych badań. „Po pierwsze, ta choroba jest naprawdę rzadka” – powiedział Mak. „A jeszcze rzadziej zachorować na chorobę, w której ekspertem jest ojciec twojego współlokatora”.
Ojciec Younga pomógł Makowi zapisać się na eksperymentalne terapie. Większość ostatniego roku studiów podyplomowych spędził w szpitalu i kilka razy był bliski śmierci. Przez cały czas zapał Maka do fizyki skłaniał go do dalszej pracy. „On pisał PRL listy z łóżka szpitalnego” – powiedział Young, odnosząc się do czasopisma Physical Review Letters. „Pomimo tego wszystkiego był jednym z najbardziej produktywnych uczniów w historii” – powiedział Heinz. „To było coś w rodzaju cudu”.
Dalsze leczenie w końcu pomogło Makowi w całkowitym wyzdrowieniu. Young, sam znany eksperymentator, żartował później o swoich interwencjach: „Wśród przyjaciół nazywam to moim największym wkładem w fizykę”.
W dzicz 2D
Mak przeniósł się do Cornell jako badacz podoktorancki w 2012 roku, kiedy to Shan wróciła już do Case Western. Realizowali indywidualne projekty z grafenem i innymi materiałami, ale także wspólnie odkrywali kolejne tajemnice TMD.
W Cornell Mak nauczył się sztuki pomiarów transportu elektronów — drugiego, oprócz optyki, głównego sposobu wróżenia ruchu elektronów. Ta wiedza sprawiła, że on i Shan stanowili podwójne zagrożenie w dziedzinie, w której badacze zazwyczaj specjalizują się w jednym lub drugim typie. „Za każdym razem, gdy spotykam Faia i Jie, narzekam: »To niesprawiedliwe, że jeździcie«” — powiedział Kim. "Co powinienem zrobić?"
Im więcej duet dowiedział się o TMD, tym bardziej się intrygował. Naukowcy zwykle skupiają się na jednej z dwóch właściwości elektronów: ich ładunku i spinu (lub samoistnym momencie pędu). Kontrolowanie przepływu ładunku elektrycznego to podstawa nowoczesnej elektroniki. A odwrócenie spinu elektronów może doprowadzić do powstania urządzeń „spintronicznych”, które pakują więcej informacji w mniejsze przestrzenie. W 2014, Mak pomógł odkryć że elektrony w dwuwymiarowym dwusiarczku molibdenu mogą uzyskać specjalną, trzecią właściwość: te elektrony muszą poruszać się z określonym pędem, kontrolowanym atrybutem znanym jako „dolina”, o którym naukowcy spekulują, że może zrodzić jeszcze trzecią dziedzinę technologii „valleytronics”.
W tym samym roku Mak i Shan zidentyfikowali kolejną uderzającą cechę TMD. Elektrony nie są jedynymi bytami, które poruszają się przez kryształ; fizycy śledzą również „dziury”, wakat powstały, gdy elektrony przeskakują gdzie indziej. Te dziury mogą wędrować po materiale jak prawdziwe dodatnio naładowane cząstki. Dodatnia dziura przyciąga ujemny elektron, tworząc ulotne partnerstwo, znane jako ekscyton, w chwili zanim elektron zatka dziurę. Shan i Mak zmierzyłem atrakcyjność między elektronami i dziurami w dwuwymiarowym diselenku wolframu i okazało się, że jest on setki razy silniejszy niż w typowym półprzewodniku 2D. Odkrycie sugerowało, że ekscytony w TMD mogą być szczególnie silne i że ogólnie rzecz biorąc elektrony z większym prawdopodobieństwem robią różne dziwne rzeczy.
Para zajęła wspólne stanowiska na Uniwersytecie Stanowym Pensylwanii i założyła tam laboratorium. W końcu przekonani, że warto postawić na TMD swoją karierę, uczynili z materiałów centrum swojej nowej grupy. Pobrali się też.
Tymczasem zespół Hone z Columbii zauważył, że właściwości grafenu stają się jeszcze bardziej ekstremalne, gdy umieścili go na wysokiej jakości izolatorze, azotku boru. Był to wczesny przykład jednego z najbardziej nowatorskich aspektów materiałów 2D: ich możliwości układania w stos.
Połóż jeden materiał 2D na drugim, a warstwy będą znajdować się w odległości ułamka nanometra — nie ma żadnej odległości z perspektywy ich elektronów. W rezultacie ułożone w stos arkusze skutecznie łączą się w jedną substancję. „To nie tylko dwa materiały razem”, powiedział Wang. „Naprawdę tworzysz nowy materiał”.
Podczas gdy grafen składa się wyłącznie z atomów węgla, zróżnicowana rodzina siatek TMD wprowadza do gry w stosy dziesiątki dodatkowych elementów. Każdy TMD ma swoje własne zdolności. Niektóre są magnetyczne; inne nadprzewodnictwo. Naukowcy z niecierpliwością czekali na mieszanie i dopasowywanie ich do modnych materiałów za pomocą ich połączonych mocy.
Ale kiedy grupa Hone'a umieściła dwusiarczek molibdenu na izolatorze, właściwości stosu wykazały słabe przyrosty w porównaniu z tym, co widzieli w przypadku grafenu. W końcu zdali sobie sprawę, że nie sprawdzili jakości kryształów TMD. Kiedy zlecili kilku kolegom przyklejenie dwusiarczku molibdenu pod mikroskopem zdolnym do rozdzielenia pojedynczych atomów, byli oszołomieni. Niektóre atomy znajdowały się w niewłaściwym miejscu, podczas gdy inne zniknęły całkowicie. Aż 1 na 100 miejsc w sieci miało jakiś problem, utrudniając zdolność sieci do kierowania elektronami. Grafen dla porównania był obrazem doskonałości, z mniej więcej jednym defektem na milion atomów. „W końcu zdaliśmy sobie sprawę, że kupowane przez nas rzeczy były kompletnymi śmieciami” – powiedział Hone.
Około 2016 r. postanowił zająć się hodowlą TMD klasy badawczej. Zwerbował postdoktora, Daniel Rodos, z doświadczeniem w hodowli kryształów poprzez topienie proszków surowców w ekstremalnie wysokich temperaturach, a następnie chłodzenie ich w lodowatym tempie. „To jak uprawa cukierków skalnych z cukru w wodzie” – wyjaśnił Hone. Nowy proces trwał miesiąc, w porównaniu do kilku dni w przypadku metod komercyjnych. Ale wyprodukowała kryształy TMD setki, a nawet tysiące razy lepsze niż te, które są sprzedawane w katalogach chemicznych.
Zanim Shan i Mak mogli skorzystać z coraz bardziej nieskazitelnych kryształów Hone, stanęli przed niezbyt efektownym zadaniem wymyślenia, jak pracować z mikroskopijnymi płatkami, które nie lubią akceptować elektronów. Aby wpompować elektrony (podstawa techniki transportu, którą Mak nauczył się jako doktorant), para miała obsesję na punkcie niezliczonych szczegółów: jakiego rodzaju metalu użyć jako elektrody, jak daleko od TMD umieścić go, a nawet jakich chemikaliów użyj do czyszczenia styków. Wypróbowanie nieskończonych sposobów ustawiania elektrod było powolne i pracochłonne — „czasochłonny proces ulepszania tego lub ulepszania krok po kroku” — powiedział Mak.
Spędzili również lata zastanawiając się, jak podnieść i ułożyć mikroskopijne płatki, których średnica wynosi zaledwie dziesiąte milionowych części metra. Dzięki tej umiejętności, a także kryształom Hone i ulepszonym kontaktom elektrycznym, wszystko połączyło się w 2018 roku. Para przeniosła się do Itaki w stanie Nowy Jork, aby objąć nowe stanowiska w Cornell, a z ich laboratorium wylewała się kaskada pionierskich wyników.
Przełomy w Cornell
„Dzisiaj z jakiegoś powodu wszystko jest trudne do uchwycenia”, powiedział Zhengchao Xia, doktorant z grupy Maka i Shana, gdy ciemna sylwetka płatka azotku boru groziła odklejeniem się i opadnięciem z powrotem na krzemową powierzchnię poniżej. Arkusz w kształcie Madagaskaru przywierał słabo do kawałka grafitu przypominającego Arabię Saudyjską, podobnie jak papier przywierał do trzeszczącej powierzchni niedawno potartego balonu. Z kolei grafit został przyklejony do lepkiej kropli rosy plastiku przymocowanej do szklanego szkiełka. Xia użyła interfejsu komputerowego do kierowania zmotoryzowanym statywem trzymającym slajd. Niczym arkadowicz, który może manewrować maszyną pazurową za pomocą joysticka, ostrożnie uniosła stos w powietrze z szybkością jednej piątej milionowej metra na kliknięcie myszą, wpatrując się uważnie w monitor komputera, aby sprawdzić, czy z powodzeniem nakrył płatek azotku boru.
Ona miała. Po kilku kolejnych kliknięciach dwuwarstwowy stos uwolnił się, a Xia poruszyła się szybko, ale celowo, aby umieścić płatki na trzecim materiale osadzonym w rozłożystych metalowych elektrodach. Kilkoma kolejnymi kliknięciami podgrzała powierzchnię, rozpuszczając plastikowy klej na szkiełku, zanim którekolwiek z nas zdążyło kichnąć mikroskopijnym urządzeniem.
„Zawsze mam koszmar, że po prostu znika” – powiedziała.
Od początku do końca Xia zmontowała dolną połowę prostego urządzenia — odpowiednika otwartego PB&J. Pokazała mi inny stos, który niedawno ułożyła, i odrzuciła kilka składników, w tym diselenek wolframu TMD i ditellurid moli. Jedna z dziesiątek mikroskopijnych kanapek, które skonstruowała i przestudiowała w ciągu ostatniego roku, ta Dagwood urządzenia miała aż 10 warstw, a jej złożenie zajęło kilka godzin.
To układanie materiałów 2D, które odbywa się również w laboratoriach na Columbii, Massachusetts Institute of Technology, Berkeley, Harvardzie i innych instytucjach, reprezentuje spełnienie od dawna marzenia fizyków materii skondensowanej. Naukowcy nie są już ograniczeni do materiałów znalezionych w ziemi lub wolno rosnących w laboratorium. Teraz mogą bawić się atomowym odpowiednikiem klocków Lego, łącząc arkusze, aby budować konstrukcje na zamówienie o pożądanych właściwościach. Jeśli chodzi o montaż konstrukcji TMD, niewielu posunęło się tak daleko, jak grupa Cornell.
Pierwsze duże odkrycie Maka i Shana w Cornell dotyczyło ekscytonów, silnie związanych par elektron-dziura, które widzieli w TMD w 2014 roku. Ekscytony intrygują fizyków, ponieważ te „quasicząstki” może oferować okrężną drogę do osiągnięcia odwiecznego celu fizyki materii skondensowanej: nadprzewodnictwa w temperaturze pokojowej.
Ekscytony grają według tych samych dziwnych zasad, co pary elektron-elektron; te pary elektron-dziura również stają się bozonami, co pozwala im „kondensować” we wspólnym stanie kwantowym znanym jako kondensat Bosego-Einsteina. Ta spójna horda kwazicząstek może wykazywać cechy kwantowe, takie jak nadciekłość, zdolność do płynięcia bez oporu. (Gdy nadciek przewodzi prąd elektryczny, jest nadprzewodnikiem.)
Ale w przeciwieństwie do odpychających się elektronów, elektrony i dziury uwielbiają się łączyć. Naukowcy twierdzą, że to potencjalnie wzmacnia ich klej. Wyzwania związane z nadprzewodnictwem opartym na ekscytonach polegają na powstrzymaniu elektronu przed wypełnieniem dziury i spowodowaniu przepływu elektrycznie obojętnych par w prądzie – a wszystko to w możliwie ciepłym pomieszczeniu. Jak dotąd Mak i Shan rozwiązali pierwszy problem i mają plan rozwiązania drugiego.
Chmury atomów można nakłonić do tworzenia kondensatów, schładzając je do poziomu powyżej zera absolutnego za pomocą potężnych laserów. Ale teoretycy od dawna podejrzewali, że kondensaty ekscytonów mogą tworzyć się w wyższych temperaturach. Grupa Cornell urzeczywistniła ten pomysł dzięki swoim TMD, które można układać w stosy. Używając dwuwarstwowej kanapki, umieścili dodatkowe elektrony w górnej warstwie i usunęli elektrony z dolnej, pozostawiając dziury. Elektrony i dziury sparowały się, tworząc ekscytony, które są długowieczne, ponieważ elektrony mają problem z przeskakiwaniem do przeciwnej warstwy, aby zneutralizować swoich partnerów. W październiku 2019 roku grupa zgłoszone znaki kondensatu ekscytonu przy balsamicznych 100 kelwinach. W tej konfiguracji ekscytony utrzymywały się przez dziesiątki nanosekund, czyli czas życia tego typu quasicząstek. Jesienią 2021 r., grupa opisała ulepszoną aparaturę, w której ekscytony wydają się trwać przez milisekundy, co Mak nazwał „praktycznie wiecznie”.
Zespół prowadzi teraz pościg schemat wymyślony przez teoretyków w 2008 r. do wytworzenia prądu ekscytonowego. Allana MacDonalda, wybitny teoretyk materii skondensowanej z University of Texas w Austin, i jego doktorant Jung-Jung Su zaproponowali wywołanie neutralnego przepływu ekscytonów poprzez zastosowanie pola elektrycznego zorientowanego w sposób, który zachęca zarówno elektrony, jak i dziury do poruszania się w tym samym kierunku. Aby to zrobić w laboratorium, grupa Cornell musi ponownie zmagać się ze swoim odwiecznym wrogiem, stykami elektrycznymi. W tym przypadku muszą przymocować wiele zestawów elektrod do warstw TMD, jedne do produkcji ekscytonów, a inne do ich przemieszczania.
Shan i Mak wierzą, że są na dobrej drodze, aby wkrótce zwiększyć ekscytony do 100 kelwinów. To mroźny pokój dla człowieka (-173 stopni Celsjusza lub -280 stopni Fahrenheita), ale to ogromny skok w stosunku do warunków nanokelwinowych, których potrzebuje większość kondensatów bozonowych.
„To samo w sobie będzie niezłym osiągnięciem” – powiedział Mak z chytrym uśmiechem – „podgrzanie temperatury miliard razy”.
Magiczne materiały mory
W 2018 r., gdy laboratorium Cornell przyspieszyło eksperymenty TMD, kolejna niespodzianka z grafenem zapoczątkowała drugą rewolucję w zakresie materiałów 2D. Pabla Jarillo-Herrero, naukowiec z MIT i inny absolwent Columbia, ogłosił, że skręcenie jednej warstwy grafenu względem warstwy poniżej stworzyło magiczny nowy materiał 2D. Sekret polegał na upuszczeniu górnej warstwy tak, aby jej sześciokąty wylądowały z lekkim „skręceniem”, tak aby były obrócone dokładnie o 1.1 stopnia względem sześciokątów poniżej. Ta niewspółosiowość kąta powoduje przesunięcie między atomami, które rosną i kurczą się podczas poruszania się po materiale, generując powtarzający się wzór dużych „superkomórek”, znanych jako supersieć mory. MacDonald i kolega mieli obliczona w 2011 r. że przy „magicznym kącie” 1.1 stopnia unikalna struktura krystaliczna supersieci zmusiłaby elektrony grafenu do spowolnienia i wyczuwania odpychania sąsiadów.
Kiedy elektrony stają się świadome siebie, dzieją się dziwne rzeczy. Uważa się, że w normalnych izolatorach, przewodnikach i półprzewodnikach elektrony oddziałują tylko z siecią atomów; biegają wokół zbyt szybko, by się zauważyć. Ale spowolnione do pełzania, elektrony mogą się przepychać i wspólnie przyjmować szereg egzotycznych stanów kwantowych. Eksperymenty Jarillo-Herrero wykazały, że m.in słabo zrozumiany powodów, ta komunikacja elektron-elektron w skręconym grafenie o magicznym kącie powoduje szczególnie silna forma nadprzewodnictwa.
Grafenowa supersieć mory wprowadziła również badaczy w radykalnie nowy sposób kontrolowania elektronów. W supersieci elektrony stają się nieświadome pojedynczych atomów i doświadczają superkomórek tak, jakby były gigantycznymi atomami. Ułatwia to zaludnienie superkomórek wystarczającą ilością elektronów, aby utworzyć zbiorowe stany kwantowe. Używając pola elektrycznego do zwiększania lub zmniejszania średniej liczby elektronów na superkomórkę, grupa Jarillo-Herrero była w stanie sprawić, że ich skręcone dwuwarstwowe urządzenie grafenowe służyło jako nadprzewodnik, działało jako izolatorlub wyświetl a tratwa innych, dziwniejsze zachowania elektronowe.
Fizycy na całym świecie rzucili się na rodzącą się dziedzinę „twisttronics”. Ale wielu przekonało się, że skręcanie jest trudne. Atomy nie mają powodu, aby zgrabnie wpaść w „magiczną” niewspółosiowość o 1.1 stopnia, więc arkusze marszczą się w sposób, który całkowicie zmienia ich właściwości. Xia, absolwentka Cornell, powiedziała, że ma grupę przyjaciół na innych uniwersytetach, którzy pracują ze skręconymi urządzeniami. Stworzenie działającego urządzenia wymaga zazwyczaj dziesiątek prób. A nawet wtedy każde urządzenie zachowuje się inaczej, więc konkretne eksperymenty są prawie niemożliwe do powtórzenia.
TMD stanowią znacznie łatwiejszy sposób tworzenia supersieci mory. Ponieważ różne TMD mają sześciokątne siatki o różnych rozmiarach, układanie siatki z nieco większych sześciokątów na mniejszej sieci tworzy wzór mory dokładnie tak samo, jak niewspółosiowość kąta. W takim przypadku, ponieważ nie ma rotacji między warstwami, istnieje większe prawdopodobieństwo, że stos zatrzaśnie się na swoim miejscu i pozostanie nieruchomy. Kiedy Xia postanawia stworzyć urządzenie TMD mory, powiedziała, generalnie odnosi sukcesy cztery razy na pięć.
Materiały TMD mory są idealnymi placami zabaw do badania interakcji elektronowych. Ponieważ materiały są półprzewodnikami, ich elektrony stają się ciężkie, gdy przedzierają się przez materiały, w przeciwieństwie do frenetycznych elektronów w grafenie. A gigantyczne komórki mory spowalniają je jeszcze bardziej: podczas gdy elektrony często przemieszczają się między atomami poprzez „tunelowanie”, czyli mechanizm kwantowo-mechaniczny podobny do teleportacji, tunelowanie rzadko zdarza się w siatce mory, ponieważ superkomórki znajdują się około 100 razy dalej od siebie niż znajdujące się w nich atomy . Odległość pomaga elektronom osiąść i daje im szansę na poznanie sąsiadów.
Przyjazny rywal Shana i Maka, Feng Wang, był jednym z pierwszych, którzy dostrzegli potencjał supersieci TMD moiré. Obliczenia z tyłu koperty sugerowały, że te materiały powinny dać początek jednemu z najprostszych sposobów organizowania elektronów – stanowi to stan znany jako kryształ Wignera, w którym wzajemne odpychanie blokuje letargiczne elektrony. Zespół Wanga zobaczył oznaki takich stanów w 2020 i opublikowane pierwszy obraz elektronów trzymających się na wyciągnięcie ręki w Natura w 2021 roku. Do tego czasu wieść o działaniach Wanga o efektach mory TMD rozprzestrzeniła się już w zwartej społeczności fizyków 2D, a fabryka Cornell TMD produkowała własne urządzenia z efektem mory TMD. Shan i Mak zgłosili również dowody na istnienie kryształów Wignera w supersieciach TMD w 2020 roku i odkryli w ciągu kilku miesięcy, że elektrony w ich urządzeniach mogą krystalizować prawie dwa tuziny różnych wzorów kryształów Wignera.
W tym samym czasie grupa Cornell przetwarzała również materiały mory TMD w elektronarzędzie. MacDonald i współpracownicy przewidział w 2018 roku, że urządzenia te mają odpowiednią kombinację cech technicznych, aby idealnie reprezentowały jeden z najważniejszych modeli zabawek w fizyce materii skondensowanej. Model Hubbarda, jak się go nazywa, to system teoretyczny używany do zrozumienia szerokiej gamy zachowań elektronów. Proponowane niezależnie Martina Gutzwillera, Junjiro Kanamori i Johna Hubbarda w 1963 r. model jest najlepszą próbą fizyków, aby rozebrać praktycznie nieskończoną różnorodność sieci krystalicznych do ich najbardziej istotnych cech. Wyobraź sobie siatkę atomów, w których znajdują się elektrony. Model Hubbarda zakłada, że każdy elektron odczuwa dwie konkurujące ze sobą siły: chce poruszać się tunelując do sąsiednich atomów, ale jest też odpychany przez sąsiadów, co sprawia, że chce pozostać tam, gdzie jest. W zależności od tego, które pragnienie jest najsilniejsze, pojawiają się różne zachowania. Jedyny problem z modelem Hubbarda polega na tym, że we wszystkich przypadkach poza najprostszym — jednowymiarowym ciągiem atomów — jest matematycznie nierozwiązywalny.
Według MacDonalda i współpracowników, materiały mory TMD mogą działać jako „symulatory” modelu Hubbarda, potencjalnie rozwiązując niektóre z najgłębszych zagadek pola, takie jak natura kleju, który wiąże elektrony w pary nadprzewodzących w miedzianach. Zamiast zmagać się z niemożliwym równaniem, naukowcy mogli uwolnić elektrony w kanapce TMD i zobaczyć, co zrobią. „Możemy spisać ten model, ale bardzo trudno jest odpowiedzieć na wiele ważnych pytań” – powiedział MacDonald. „Teraz możemy to zrobić po prostu wykonując eksperyment. To naprawdę przełomowe”.
Aby zbudować symulator modelu Hubbard, Shan i Mak ułożyli w stos warstwy dwuselelenku wolframu i siarczku wolframu, aby stworzyć supersieć mory, i dołączyli elektrody, aby zwiększyć lub zmniejszyć pole elektryczne przechodzące przez kanapkę TMD. Pole elektryczne kontrolowało, ile elektronów wypełniłoby każdą superkomórkę. Ponieważ komórki działają jak gigantyczne atomy, przejście od jednego elektronu do dwóch elektronów na superkomórkę przypominało przekształcenie sieci atomów wodoru w sieć atomów helu. W ich wstępna publikacja modelu Hubbarda in Natura w marcu 2020 r. poinformowali o symulowaniu atomów z maksymalnie dwoma elektronami; dziś mogą wzrosnąć do ośmiu. W pewnym sensie zdali sobie sprawę ze starożytnego celu zamiany ołowiu w złoto. „To jak dostrajanie chemii”, powiedział Mak, „przechodzenie przez układ okresowy pierwiastków”. W zasadzie mogą nawet wyczarować siatkę fikcyjnych atomów z, powiedzmy, 1.38 elektronów każdy.
Następnie grupa spojrzała na serca sztucznych atomów. Dzięki większej liczbie elektrod mogliby kontrolować „potencjał” superkomórek, wprowadzając zmiany podobne do dodawania dodatnich protonów do centrów gigantycznych syntetycznych atomów. Im większy ładunek ma jądro, tym trudniej elektronom tunelować, więc to pole elektryczne pozwala im zwiększać i zmniejszać tendencję do przeskoków.
Kontrola Mak i Shan nad gigantycznymi atomami — a zatem modelem Hubbarda — była kompletna. System mory TMD pozwala im przywoływać siatkę zastępczych atomów, nawet tych, które nie istnieją w naturze, i płynnie je przekształcać według własnego uznania. To moc, która nawet dla innych badaczy w tej dziedzinie graniczy z magią. „Gdybym miał wyróżnić ich najbardziej ekscytujący i imponujący wysiłek, to właśnie ten” – powiedziała Kim.
Grupa Cornell szybko wykorzystała swoje designerskie atomy do rozstrzygnięcia trwającej od 70 lat debaty. Pytanie brzmiało: co by było, gdyby można było wziąć izolator i tak dostroić jego atomy, aby przekształcił go w metal przewodzący? Czy zmiana nastąpi stopniowo czy nagle?
Dzięki swojej alchemii mory Shan i Mak przeprowadzili eksperyment myślowy w swoim laboratorium. Najpierw symulowali ciężkie atomy, które uwięziły elektrony, tak że supersieć TMD działała jak izolator. Następnie skurczyli atomy, osłabiając pułapkę, aż elektrony stały się zdolne do skakania na wolność, pozwalając supersieci stać się metalem przewodzącym. Obserwując stopniowo spadający opór elektryczny, gdy supersieć zachowywała się coraz bardziej jak metal, wykazali, że przejście nie jest nagłe. To odkrycie, które ogłosili in Natura w zeszłym roku otwiera możliwość, że elektrony supersieci mogą być w stanie osiągnąć długo poszukiwany rodzaj płynności znany jako ciecz spinu kwantowego. – To może być najbardziej interesujący problem, z jakim można się zmierzyć – powiedział Mak.
Niemal w tym samym czasie para doszła do tego, co niektórzy fizycy uważają za swoje najważniejsze odkrycie. – Właściwie to był totalny wypadek – powiedział Mak. „Nikt się tego nie spodziewał”.
Kiedy rozpoczęli badania nad symulatorem Hubbarda, naukowcy wykorzystali kanapki TMD, w których sześciokąty na dwóch warstwach są wyrównane, z metalami przejściowymi na wierzchu metali przejściowych i chalkogenkami na wierzchu chalkogenków. (Wtedy odkryli stopniową przemianę izolatora w metal.) Następnie przypadkowo powtórzyli eksperyment z urządzeniami, w których górna warstwa była ułożona odwrotnie.
Tak jak poprzednio, opór zaczął spadać, gdy elektrony zaczęły podskakiwać. Ale potem gwałtownie spadła, schodząc tak nisko, że naukowcy zastanawiali się, czy mora zaczęła przewodzić. Eksplorując dalej, oni zmierzył rzadki wzór oporu znany jako anomalny kwantowy efekt Halla — dowód na to, że działo się coś jeszcze dziwniejszego. Efekt wskazywał, że struktura krystaliczna urządzenia zmusza elektrony wzdłuż krawędzi materiału do działania inaczej niż te znajdujące się w środku. W środku urządzenia elektrony zostały uwięzione w stanie izolującym. Ale wokół obwodu płynęły w jednym kierunku — wyjaśniając bardzo niski opór. Przez przypadek badacze stworzyli niezwykle nietypowy i delikatny rodzaj materii znany jako izolator Cherna.
Anomalny kwantowy efekt Halla, po raz pierwszy zaobserwowany w 2013, zwykle rozpada się, gdy temperatura wzrasta powyżej kilku setnych kelwina. W 2019 roku grupa Younga w Santa Barbara widziała to w jednorazowa kanapka z skręconego grafenu około 5 kelwinów. Teraz Shan i Mak osiągnęli ten efekt w niemal tej samej temperaturze, ale w urządzeniu TMD bez skręcania, które każdy może odtworzyć. „Nasza temperatura była wyższa, ale wezmę ich każdego dnia, ponieważ mogą to zrobić 10 razy z rzędu” – powiedział Young. Oznacza to, że możesz to zrozumieć „i użyć go, aby faktycznie coś zrobić”.
Mak i Shan wierzą, że przy odrobinie manipulacji mogą wykorzystać materiały mory TMD do zbudowania izolatorów Cherna, które przetrwają do 50 lub 100 kelwinów. Jeśli się powiedzie, praca może doprowadzić do innego sposobu na przepływ prądu bez oporu – przynajmniej w przypadku maleńkich „nanowprzewodów”, które mogą nawet być w stanie włączać i wyłączać w określonych miejscach w urządzeniu.
Eksploracja w Flatland
Nawet gdy pojawiają się kolejne przełomowe wyniki, para nie wykazuje oznak spowolnienia. W dniu mojej wizyty Mak obserwował uczniów, którzy majstrowali przy ogromnej lodówce do rozcieńczania, która pozwalała im schłodzić swoje urządzenia do temperatur tysiąc razy niższych niż te, z którymi pracowali do tej pory. Było tyle fizyki do odkrycia w „cieplejszych” warunkach, że grupa nie miała okazji dokładnie przeszukać głębszej krainy kriogenicznej w poszukiwaniu oznak nadprzewodnictwa. Jeśli super lodówka przepuszcza nadprzewodnictwo TMD, to odpowie na kolejne pytanie, pokazując, że forma magnetyzmu związana z miedzianami (ale nieobecny w TMD) nie jest istotnym składnikiem kleju wiążącego elektrony. „To jak zabicie jednego z ważnych elementów, które teoretycy naprawdę chcieli zabić przez długi czas” – powiedział Mak.
On, Shan i ich grupa nawet nie zaczęli eksperymentować z niektórymi z bardziej funkowych TMD. Po latach spędzonych na wymyślaniu sprzętu potrzebnego do poruszania się po kontynencie materiałów 2D, w końcu przygotowują się do wyprawy poza przyczółek z dwusiarczku moli, na którym wylądowali w 2010 roku.
Obaj badacze przypisują swój sukces kulturze współpracy, którą przyjęli na Columbii. Mówią, że początkowa współpraca z Hone, która zapoznała ich z disiarczkiem moli, była tylko jedną z wielu okazji, z których korzystali, ponieważ mogli swobodnie podążać za swoją ciekawością. „Nie musieliśmy omawiać” ich planów z Heinzem, szefem ich laboratorium, powiedział Shan. „Rozmawialiśmy z ludźmi z innych grup. Zrobiliśmy eksperymenty. Nawet pakowaliśmy rzeczy”.
Dziś dbają o podobnie zrelaksowane środowisko w Cornell, gdzie nadzorują kilkudziesięciu doktorów, wizytujących naukowców i studentów, z których każdy może swobodnie robić swoje. „Uczniowie są bardzo bystrzy i mają dobre pomysły” – powiedział Mak. „Czasami nie chcesz się wtrącać”.
Ich małżeństwo sprawia, że ich laboratorium jest wyjątkowe. Obaj nauczyli się opierać na swoich mocnych stronach. Oprócz obfitości kreatywności jako eksperymentatorka, Shan posiada ostrożną dyscyplinę, która czyni ją dobrym menedżerem; gdy rozmawialiśmy we trójkę, często popychała „profesora Faia” z powrotem na właściwe tory, gdy jego entuzjazm dla fizyki popychał go zbyt głęboko w szczegóły techniczne. Mak ze swojej strony lubi pracować razem z naukowcami na wczesnym etapie kariery, zarówno w laboratorium, jak i poza nim. Niedawno rozpoczął z grupą wspinaczkę skałkową. „Wygląda na to, że ich laboratorium to ich rodzina” – powiedział Young. Shan i Mak powiedzieli mi, że razem osiągają więcej, niż mogliby sami. – Jeden plus jeden to więcej niż dwa – powiedział Mak.
Urządzenia, które budują, mogą również łączyć się w więcej niż sumę ich części. Gdy naukowcy łączą arkusze TMD, aby stworzyć ekscytony i supersieci mory, zastanawiają się, w jaki sposób nowe sposoby oswajania elektronów mogą doładowywać technologię. Nawet jeśli kieszonkowe nadprzewodnictwo pozostaje nieuchwytne, kondensaty Bosego-Einsteina mogą prowadzić do ultraczułych czujników kwantowych, a lepsza kontrola izolatorów podobnych do Cherna może umożliwić potężne komputery kwantowe. A to tylko oczywiste pomysły. Przyrostowe ulepszenia w materiałoznawstwie często przekładają się na radykalne zastosowania, które niewielu widziało. Na przykład badacze, którzy opracowali tranzystor, mieliby trudności z przewidzeniem smartfonów zasilanych miliardami mikroskopijnych przełączników umieszczonych w chipie wielkości paznokcia. A naukowcy, którzy próbowali stworzyć włókna szklane, które mogłyby przenosić światło przez ich stanowisko laboratoryjne, nie mogli przewidzieć, że 10,000 XNUMX kilometrów podmorskich światłowodów kiedyś połączy kontynenty. Materiały dwuwymiarowe mogą ewoluować w podobnie nieprzewidywalnych kierunkach. „Naprawdę nowa platforma materiałowa generuje własne aplikacje w przeciwieństwie do zastępowania istniejących materiałów”, powiedział Heinz.
Wożąc mnie na przystanek autobusowy Ithaca, Shan i Mak opowiedzieli mi o ostatnich (i rzadkich) wakacjach, które wyjechali do Banff w Kanadzie, gdzie po raz kolejny pokazali swój talent do potykania się o niespodzianki dzięki połączeniu wysiłku i szczęścia. Spędzili wiele dni, próbując – na próżno – wypatrzyć niedźwiedzia. Następnie pod koniec podróży, w drodze na lotnisko, zatrzymali się, aby rozprostować nogi w rezerwacie botanicznym i znaleźli się twarzą w twarz z czarnym niedźwiedziem.
Podobnie, w przypadku fizyki materii skondensowanej, ich podejście polega na wędrowaniu razem w nowym krajobrazie i obserwowaniu, co się pojawi. „Nie mamy zbyt wielu teoretycznych wskazówek, ale po prostu wygłupiamy się i bawimy eksperymentami” – powiedział Mak. „Może się nie udać, ale czasami możesz wpaść na coś bardzo nieoczekiwanego”.
