Молибденит даже для тренированного глаза выглядит почти так же, как графит — блестящий серебристый кристалл. Он действует аналогичным образом, отшелушивая чешуйки таким образом, чтобы получилась хорошая шпаклевка. Но для электрона две сетки атомов образуют разные миры. Это различие впервые вошло в научный оборот 244 года назад. Карл Шееле, шведский химик, известный своим открытием кислорода, погружал каждый минерал в различные кислоты и наблюдал, как вырываются зловещие облака газа. Шееле, который в конце концов заплатил за этот подход своей жизнью, умерев от подозрения на отравление тяжелыми металлами в 43 года, пришел к выводу, что молибденит был новым веществом. Описывая его в письме в Шведскую королевскую академию наук в 1778 году, он писал: «Я имею в виду не общеизвестный графит, который можно приобрести в аптеке. Этот переходный металл кажется неизвестным».
Из-за своей склонности к рассыпанию на порошкообразные фрагменты молибденит стал популярным смазочным материалом в 20 веке. Это помогало лыжам дальше скользить по снегу и сглаживало выход пуль из винтовочных стволов во Вьетнаме.
Сегодня та же небрежность подпитывает революцию в физике.
Прорывы начались с графита и скотча. Исследователи случайно обнаружили в 2004 году, что они могут использовать ленту, чтобы отделить чешуйки графита толщиной всего в один атом. Эти кристаллические листы, каждый из которых представляет собой плоский массив атомов углерода, обладали удивительными свойствами, которые радикально отличались от свойств трехмерных кристаллов, из которых они произошли. Графен (как его окрестили первооткрыватели) был совершенно новой категорией вещества — 2D-материалом. Его открытие изменило физику конденсированного состояния, раздел физики, который стремится понять многие формы и поведение материи. Почти половина из всех физиков — физики конденсированного состояния; это подполе, которое принесло нам компьютерные чипы, лазеры, светодиодные лампы, аппараты МРТ, солнечные батареи и всевозможные современные технологические чудеса. После открытия графена тысячи специалистов по физике конденсированных сред приступили к изучению нового материала, надеясь, что он послужит основой будущих технологий.
Первооткрыватели графена получили Нобелевскую премию по физике в 2010 году. В том же году два молодых физика из Колумбийского университета, Джи Шань и Кин Фай Мак, увидел признаки того, что хлопья молибденита могут быть даже более волшебными, чем графен. Менее известный минерал обладает свойствами, которые затрудняют его изучение — слишком сложными для многих лабораторий, — но он очаровал Шана и Мака. Упорный дуэт посвятил почти десятилетие борьбе с 2D-молибденитом (или дисульфидом молибдена, как называется выращенная в лаборатории версия кристалла) и семейством близкородственных 2D-кристаллов.
Теперь их усилия окупаются. Шан и Мак, которые теперь женаты и возглавляют совместную исследовательскую группу в Корнельском университете, показали, что двумерные кристаллы дисульфида молибдена и его родственников могут вызывать огромное разнообразие экзотических квантовых явлений. «Это сумасшедшая игровая площадка», — сказал Джеймс Хоун, исследователь из Колумбийского университета, который снабжает лабораторию Корнелла высококачественными кристаллами. «Вы можете заниматься всей современной физикой конденсированного состояния в одной материальной системе».
Группа Шана и Мака зафиксировала беспрецедентное поведение электронов в этих плоских кристаллах. Они уговорили частицы слиться в квантовую жидкость и замерзнуть в набор льдоподобных структур. Они научились собирать сетки гигантских искусственных атомов, которые теперь служат испытательными полигонами для фундаментальных теорий материи. С момента открытия своей лаборатории в Корнелле в 2018 году мастера-укротители электронов опубликовали восемь сногсшибательных статей в природа, самый престижный научный журнал, а также множество других статей. Теоретики говорят, что пара расширяет понимание того, на что способны толпы электронов.
Их исследование «глубоко впечатляет во многих аспектах», сказал он. Филип Ким, выдающийся специалист по физике конденсированных сред из Гарвардского университета. — Это, я бы сказал, сенсационно.
Восстание 2D-материалов
Атрибуты материала обычно отражают то, что делают его электроны. Например, в проводниках, таких как металлы, электроны легко плывут между атомами, неся электричество. В изоляторах, таких как дерево и стекло, электроны остаются на месте. Полупроводники, такие как кремний, находятся между ними: их электроны могут быть вынуждены двигаться с притоком энергии, что делает их идеальными для включения и выключения тока — работа транзистора. За последние 50 лет, помимо этих трех основных вариантов поведения электрона, физики конденсированного состояния наблюдали, как легкие заряженные частицы ведут себя еще многими более экзотическими способами.
Один из наиболее драматических сюрпризов произошел в 1986 году, когда два исследователя IBM, Георг Беднорц и Алекс Мюллер, обнаруженный ток электронов, движущихся через кристалл оксида меди («купрат») без какого-либо сопротивления. Эта сверхпроводимость — способность электричества течь с идеальной эффективностью — наблюдалась и раньше, но только по хорошо понятным причинам в материалах, охлажденных до нескольких градусов абсолютного нуля. На этот раз Беднорц и Мюллер наблюдали таинственную форму явления, сохранявшуюся при рекордных 35 кельвинах (то есть 35 градусов выше абсолютного нуля). Вскоре ученые обнаружили другие купраты, обладающие сверхпроводимостью выше 100 кельвинов. Так родилась мечта, которая остается, пожалуй, целью номер один физики конденсированных сред сегодня: найти или разработать вещество, которое может сверхпроводить электричество в нашем горячем мире с температурой примерно 300 кельвинов, создать линии электропередач без потерь, левитирующие транспортные средства и другие сверхэффективные устройства, которые значительно уменьшит потребности человечества в энергии.
Ключом к сверхпроводимости является уговорить электроны, которые обычно отталкиваются друг от друга, соединиться и сформировать объекты, известные как бозоны. Затем бозоны могут коллективно сливаться в квантовую жидкость без трения. Силы притяжения, создающие бозоны, такие как колебания атомов, обычно могут преодолеть отталкивание электронов только при криогенных температурах или высокое давление. Но потребность в этих экстремальных условиях помешала сверхпроводимости найти применение в повседневных устройствах. Открытие купратов породило надежду на то, что правильная атомная решетка сможет «склеить» электроны вместе так прочно, что они останутся слипшимися даже при комнатной температуре.
Спустя 40 лет после открытия Беднорца и Мюллера теоретики до сих пор не совсем уверены, как работает клей в купратах, не говоря уже о том, как настроить материалы для его укрепления. Таким образом, многие исследования в области физики конденсированных сред представляют собой поиск кристаллов методом проб и ошибок, которые могут удерживать свои электроны в паре или управлять электронами другими удивительными способами. «Конденсированное вещество — это раздел физики, который допускает интуицию», — сказал Ким. Таково было открытие 2004D-материалов в 2 году.
Андре Гейм и Новосёлов, работающий с графитом в Манчестерском университете в Соединенном Королевстве, открытый шокирующее следствие хрупкости материала. Кристалл графита содержит атомы углерода, расположенные в слабо связанные листы шестиугольников. Теоретики давно предсказывали, что без стабилизирующего влияния штабеля тепловые вибрации разрушат однослойный лист. Но Гейм и Новоселов обнаружили, что могут отрывать прочные, атомарно тонкие листы, используя лишь скотч и настойчивость. Графен был первым по-настоящему плоским материалом — плоскостью, по которой электроны могут скользить, но не вверх и вниз.
Хоун, физик из Колумбийского университета, обнаружил, что самый тонкий материал в мире каким-то образом также самый сильный. Это было замечательным разочарованием для материала, который, по мнению теоретиков, вообще не будет держаться вместе.
Что больше всего заинтриговало физиков в графене, так это то, как углеродная равнина трансформировала электроны: ничто не могло их замедлить. Электроны часто спотыкаются о решетку атомов, через которую они движутся, действуя тяжелее, чем их масса из учебника (неподвижные электроны изолятора действуют так, как будто они имеют бесконечную массу). Однако плоская решетка графена позволяет электронам вращаться со скоростью миллион метров в секунду — всего в несколько сотен раз медленнее скорости света. На этой постоянной, молниеносной скорости электроны летели так, как будто у них вообще не было массы, благословляя графен экстремальной (хотя и не супер) проводимостью.
Целое поле возникло вокруг чудо-материала. Исследователи также стали мыслить более широко. Могут ли двухмерные хлопья других веществ таить в себе собственные сверхспособности? Хоун был среди тех, кто разветвился. В 2 году он измерил некоторые механические свойства двойника графита, дисульфида молибдена, а затем передал кристалл двум специалистам по оптике в колумбийской лаборатории Тони Хайнца. Это был случайный шаг, который изменил карьеры всех участников.
Образец дисульфида молибдена попал в руки Джи Шан, приглашенного профессора в начале своей карьеры, и Кин Фай Мак, аспиранта. Молодой дуэт изучал, как графен взаимодействует со светом, но они уже начали мечтать о других материалах. Быстрые электроны графена делают его фантастическим проводником, но им нужен был двумерный полупроводник — материал, поток электронов которого они могли включать и выключать, и который, следовательно, мог бы служить транзистором.
Известно, что дисульфид молибдена является полупроводником. А вскоре Шан и Мак обнаружили, что, как и графит, он приобретает дополнительные свойства в 2D. Когда они направили лазер на трехмерные кристаллы «дисульфида молибдена» (как они его ласково называют), кристаллы остались темными. Но когда Шан и Мак содрали слои скотчем, ударили по ним лазером и рассмотрели под микроскопом, они увидели ярко сияющие 3D-листы.
Исследования других групп позже подтвердят, что хорошо сделанные листы близкородственного материала отражают каждый последний фотон, который попадает на них. «Это ошеломляет», — сказал недавно Мак, когда я встретил его и Шана в их общем офисе в Корнелле. «У вас есть только один лист атомов, и он может отражать 100% света, как идеальное зеркало». Они поняли, что это свойство может привести к впечатляющим оптическим устройствам.
Независимо, Фэн ВангТо же открытие сделал физик из Калифорнийского университета в Беркли. Двумерный материал с высокой отражающей способностью и полупроводник вдобавок привлек внимание сообщества. Оба формата группы опубликовали свои выводы в 2010 году; с тех пор газеты получили более 16,000 2 ссылок. «Все, у кого есть лазеры, стали очень интересоваться XNUMXD-материалами, — сказал Хон.
Идентифицировав дисульфид молибдена в качестве второго двумерного чудо-материала, две группы достигли суши на всем континенте двумерных материалов. Дисульфид молибдена принадлежит к семейству веществ, известных как дихалькогениды переходных металлов (TMD), в которых атомы из металлической средней области периодической таблицы, такие как молибден, соединяются с парами химических соединений, известных как халькогениды, такими как сера. Дисульфид молибдена является единственным встречающимся в природе TMD, но существуют еще десятки которые исследователи могут накрутить в лабораториях — дисульфид вольфрама, дителлурид молибдена и так далее. Большинство из них образуют слабо связанные листы, что делает их восприимчивыми к деловой стороне куска ленты.
Однако первоначальная волна энтузиазма вскоре пошла на убыль, поскольку исследователи изо всех сил пытались заставить TMD делать больше, чем просто светиться. Группа Вана, например, вернулась к графену после того, как обнаружила, что они не могут легко прикрепить металлические электроды к дисульфиду молибдена. «Это было камнем преткновения для нашей группы в течение нескольких лет», — сказал он. «Даже сейчас мы не очень хорошо налаживаем контакт». Казалось, что главное преимущество TMD над графеном было также их самой большой слабостью: чтобы изучить электронные свойства материала, исследователи часто должны вталкивать в него электроны и измерять сопротивление результирующего тока. Но поскольку полупроводники — плохие проводники, в них трудно ввести или вывести электроны.
Мак и Шан поначалу чувствовали себя двойственно. «Было действительно неясно, следует ли нам продолжать работу над графеном или начать работать над этим новым материалом», — сказал Мак. «Но поскольку мы обнаружили, что у него есть это замечательное свойство, мы продолжили еще несколько экспериментов».
По мере работы два исследователя все больше увлекались дисульфидом молибдена и друг другом. Первоначально их контакт был профессиональным, ограничиваясь в основном электронными письмами, ориентированными на исследования. «Фай часто спрашивал: «Где это оборудование? Куда ты это положил?», — сказал Шан. Но в конце концов их отношения, выращенные в течение долгих часов и стимулированные экспериментальным успехом, стали романтическими. «Мы просто слишком часто виделись буквально в одной лаборатории, работая над одним и тем же проектом», — сказал Мак. «Проект, работающий очень хорошо, также порадовал нас».
Вся физика за все время
Потребуется партнерство между двумя преданными физиками с железной дисциплиной, чтобы поставить под контроль проблемные TMD.
Академики всегда легко давались Шан. Выросшая в 1970-х годах в прибрежной провинции Чжэцзян, она была отличницей в математике, естественных науках и языках и получила желанное место в Китайском университете науки и технологий в Хэфэе. Там она прошла отборочную программу культурного обмена между Китаем и Советским Союзом и ухватилась за возможность изучать русский язык и физику в Московском государственном университете. «Когда ты подросток, тебе не терпится исследовать мир, — сказала она. «Я не колебался».
Сразу же она увидела больше мира, чем рассчитывала. Проблемы с визой задержали ее приезд в Россию на несколько месяцев, и она потеряла место в языковой программе. Власти нашли ей другой курс, и вскоре после приземления в Москве она села на поезд и проехала 5,000 километров на восток. Через три дня она прибыла в город Иркутск посреди Сибири в начале зимы. «Мне посоветовали никогда ничего не трогать без перчаток», — сказала она, чтобы не застрять.
Шан не снимала перчатки, выучила русский язык за один семестр и начала ценить абсолютную красоту зимнего пейзажа. Когда курс закончился и снег растаял, она вернулась в столицу, чтобы получить степень по физике, приехав в Москву весной 1990 года, в самый разгар распада Советского Союза.
Это были хаотичные годы. Шан видел, как танки катили по улицам возле университета, когда коммунисты пытались восстановить контроль над правительством. В другой раз, сразу после выпускного экзамена, вспыхнула драка. «Мы слышали стрельбу, и нам сказали выключить свет в общежитии», — сказала она. Все, от еды до туалетной бумаги, продавалось по карточной системе. Тем не менее, Шан была вдохновлена стойкостью своих профессоров, которые продолжали свои исследования, несмотря на суматоху. «Условия были тяжелыми, но у многих ученых было такое отношение. Они действительно любят то, что делают, несмотря на то, что происходит», — сказала она.
Когда мировой порядок рухнул, Шан отличилась, опубликовав статью по теоретической оптике, которая привлекла внимание Хайнца в Колумбийском университете. Он призвал ее подать заявление, и она переехала в Нью-Йорк, где время от времени помогала другим иностранным студентам устроиться в другой стране. Например, она наняла Вана для работы в лаборатории Хайнца и поделилась экспериментальными советами. «Она научила меня быть терпеливым, — сказал он, — и как не расстраиваться из-за лазера».
Большинство исследователей занимают постдокторские должности после получения степени доктора философии, но Шан присоединилась к Университету Кейс Вестерн Резерв напрямую в качестве адъюнкт-профессора в 2001 году. Несколько лет спустя, в творческом отпуске, она вернулась в лабораторию Хайнца в Колумбийском университете. На этот раз ее время было случайным. Она начала сотрудничать с очаровательной и яркой аспиранткой группы Хайнца Кин Фай Мак.
Мак пошел другим, менее бурным путем в Нью-Йорк. Выросший в Гонконге, он плохо учился в школе, так как мало что, кроме физики, имело для него смысл. «Это было единственное, что мне нравилось и в чем я действительно был хорош, поэтому я выбрал физику», — сказал он.
Его студенческие исследования в Гонконгском университете выделялись, и Хайнц завербовал его, чтобы присоединиться к бурно развивающейся программе Колумбии по физике конденсированных сред. Там он погрузился в исследования, проводя почти все часы бодрствования в лаборатории, за исключением случайной игры в очный футбол. Андреа Янг, однокурсница (ныне доцент Калифорнийского университета в Санта-Барбаре), делила с Маком квартиру на 113-й Западной улице. «Мне повезло, если я смог поймать его в 2 часа ночи, чтобы сварить макароны и поговорить о физике. Это все время была физика», — сказал Янг.
Но хорошие времена длились недолго. Вскоре после экскурсии с Янгом в тропические леса Амазонки в Колумбии Мак заболел. Его врачи не знали, что делать с загадочными результатами анализов, и ему стало еще хуже. Удачное стечение обстоятельств спасло ему жизнь. Янг описал ситуацию своему отцу, медицинскому исследователю, который сразу же распознал признаки апластической анемии — необычного состояния крови, которое стало предметом его собственного исследования. «Прежде всего, это заболевание встречается очень редко», — сказал Мак. «И еще реже заразиться болезнью, в которой отец твоего соседа по комнате является экспертом».
Отец Янга помог Маку записаться на экспериментальное лечение. Он провел большую часть своего последнего года обучения в аспирантуре в больнице и несколько раз был на грани смерти. На протяжении всего испытания страсть Мака к физике заставляла его продолжать работать. «Он писал PRL писем с больничной койки», — сказал Янг, имея в виду журнал Physical Review Letters,. «Несмотря на все это, он был одним из самых продуктивных студентов», — сказал Хайнц. «Это было что-то вроде чуда».
Дальнейшее лечение в конечном итоге помогло Маку полностью выздороветь. Янг, сам известный экспериментатор, позже язвительно отозвался о своем вмешательстве: «Среди друзей я называю это своим величайшим вкладом в физику».
В 2D Пустыню
Мак перешел в Корнелл в качестве исследователя с докторской степенью в 2012 году, когда Шан уже вернулась в Case Western. Они занимались отдельными проектами с графеном и другими материалами, но также продолжали вместе раскрывать новые секреты TMD.
В Корнелле Мак научился искусству измерения переноса электронов — другому основному способу предсказания движения электронов, помимо оптики. Этот опыт сделал его и Шан двойной угрозой в области, где исследователи обычно специализируются на том или ином типе. «Всякий раз, когда я встречаю Фай и Цзе, я жалуюсь: «Это несправедливо, что вы, ребята, занимаетесь транспортом», — сказала Ким. "Что я должен сделать?"
Чем больше дуэт узнавал о TMD, тем более интригующими они становились. Исследователи обычно сосредотачиваются на одном из двух свойств электронов: их заряде и спине (или собственном угловом моменте). Управление потоком электрического заряда является основой современной электроники. А изменение спина электронов может привести к созданию устройств «спинтроники», которые упаковывают больше информации в меньшие объемы. В 2014, Мак помог обнаружить что электроны в 2D-дисульфиде молибдена могут приобретать особое, третье свойство: эти электроны должны двигаться с определенным количеством импульса, управляемый атрибут, известный как «долина», который, как предполагают исследователи, может породить еще третью область технологии «валлейтроники».
В том же году Мак и Шан выявили еще одну поразительную особенность TMD. Электроны — не единственные объекты, движущиеся через кристалл; физики также отслеживают «дыры» — вакансии, возникающие, когда электроны перескакивают в другое место. Эти дыры могут перемещаться по материалу, как настоящие положительно заряженные частицы. Положительная дырка притягивает отрицательный электрон, образуя мимолетное партнерство, известное как экситон, за мгновение до того, как электрон закроет дырку. Шан и Мак измерил притяжение между электронами и дырками в двумерном диселениде вольфрама и обнаружил, что он в сотни раз сильнее, чем в типичном трехмерном полупроводнике. Это открытие намекнуло на то, что экситоны в TMD могут быть особенно устойчивыми, и что в целом электроны с большей вероятностью будут делать всевозможные странные вещи.
Пара вместе получила работу в Университете штата Пенсильвания и открыла там лабораторию. Окончательно убедившись, что TMD стоит того, чтобы сделать ставку на свою карьеру, они сделали материалы центром внимания своей новой группы. Они также поженились.
Тем временем команда Хоуна из Колумбийского университета увидела, что свойства графена стали еще более экстремальными, когда они поместили его поверх высококачественного изолятора — нитрида бора. Это был ранний пример одного из самых новых аспектов 2D-материалов: их возможности штабелирования.
Поместите один двумерный материал поверх другого, и слои будут находиться на расстоянии доли нанометра друг от друга — никакого расстояния с точки зрения их электронов. В результате сложенные листы эффективно сливаются в одно вещество. «Это не просто два материала вместе», — сказал Ван. «Вы действительно создаете новый материал».
В то время как графен состоит исключительно из атомов углерода, разнообразное семейство решеток TMD вносит в игру десятки дополнительных элементов. Каждый TMD имеет свои собственные внутренние способности. Некоторые из них магнитные; другие сверхпроводники. Исследователи надеялись смешать и сопоставить их с модными материалами с их объединенными возможностями.
Но когда группа Хона поместила дисульфид молибдена на изолятор, свойства пакета показали незначительный прирост по сравнению с тем, что они видели в графене. В конце концов они поняли, что не проверяли качество кристаллов TMD. Когда они попросили коллег поместить свой дисульфид молибдена под микроскоп, способный различать отдельные атомы, они были ошеломлены. Некоторые атомы оказались не в том месте, а другие полностью исчезли. У 1 из 100 узлов решетки были проблемы, препятствующие способности решетки направлять электроны. Для сравнения, графен был образцом совершенства: примерно один дефект на миллион атомов. «Наконец-то мы поняли, что вещи, которые мы покупали, были полным мусором», — сказал Хоун.
Примерно в 2016 году он решил заняться выращиванием TMD исследовательского уровня. Он нанял постдока, Даниэль Роудс, с опытом выращивания кристаллов путем плавления порошков сырья при чрезвычайно высоких температурах, а затем их охлаждения с ледяной скоростью. «Это похоже на выращивание леденцов из сахара в воде», — объяснил Хоун. Новый процесс занял месяц, по сравнению с несколькими днями для коммерческих методов. Но он производил кристаллы TMD в сотни и тысячи раз лучше, чем те, которые продаются в химических каталогах.
Прежде чем Шан и Мак смогли воспользоваться преимуществами все более чистых кристаллов Хона, они столкнулись с негламурной задачей выяснить, как работать с микроскопическими чешуйками, которые не любят принимать электроны. Чтобы накачать электроны (основа транспортной техники, которую Мак изучил в качестве постдока), пара была одержима бесчисленными деталями: какой тип металла использовать для электрода, как далеко от TMD его разместить, даже какие химические вещества использовать. использовать для очистки контактов. Испытание бесконечных способов установки электродов было медленным и трудоемким — «длительный процесс уточнения того или иного шаг за шагом», — сказал Мак.
Они также потратили годы на то, чтобы понять, как поднимать и складывать микроскопические хлопья размером всего лишь десятые миллионные доли метра в поперечнике. Благодаря этой способности, а также кристаллам Хоуна и улучшенным электрическим контактам все сошлось в 2018 году. Пара переехала в Итаку, штат Нью-Йорк, чтобы занять новые должности в Корнелле, и из их лаборатории выплеснулся каскад новаторских результатов.
Прорывы в Корнелле
«Сегодня по какой-то причине все трудно уловить», — сказал Чжэнчао Ся, аспирант группы Мака и Шаня, когда темный силуэт чешуйки нитрида бора угрожал оторваться и упасть обратно на поверхность кремния внизу. Лист в форме Мадагаскара слабо цеплялся за кусок графита, напоминающий Саудовскую Аравию, так же, как бумага могла бы цепляться за потрескивающую поверхность недавно натертого воздушного шара. Графит, в свою очередь, был приклеен к липкой капельке пластика, прикрепленной к предметному стеклу. Ся использовал компьютерный интерфейс для управления моторизованной стойкой, удерживающей слайд. Подобно тому, как любитель игровых автоматов управлял бы когтеточкой с помощью джойстика, она осторожно подняла стопку в воздух со скоростью одна пятая миллионной метра за щелчок мыши, пристально глядя на монитор компьютера, чтобы увидеть, успешно поймал хлопья нитрида бора.
У нее был. Еще несколько щелчков, и двухслойная стопка освободилась, и Ся быстро, но преднамеренно двинулась, чтобы положить хлопья на третий материал с растянутыми металлическими электродами. Еще несколькими щелчками она нагрела поверхность, расплавив пластиковый клей на предметном стекле прежде, чем кто-либо из нас успел чихнуть микроскопическое устройство.
«У меня всегда есть этот кошмар, что он просто исчезает», — сказала она.
От начала до конца Ся потребовалось больше часа, чтобы собрать нижнюю часть простого устройства — эквивалента PB&J с открытым лицом. Она показала мне еще одну стопку, которую она недавно собрала, и перечислила несколько ингредиентов, в том числе диселенид вольфрама TMD и дителлурид молибдена. Один из десятков микроскопических сэндвичей, которые она сконструировала и изучила за последний год, это устройство Дагвуда состояло из колоссальных 10 слоев, и на его сборку ушло несколько часов.
Это наложение 2D-материалов, которое также выполняется в лабораториях Колумбийского университета, Массачусетского технологического института, Беркли, Гарварда и других институтов, представляет собой реализацию давней мечты физиков, занимающихся конденсированными средами. Исследователи больше не ограничены материалами, найденными в земле или медленно выращенными в лаборатории. Теперь они могут играть с атомарным эквивалентом кубиков Lego, соединяя листы вместе, чтобы создавать конструкции с заданными свойствами. Когда дело доходит до сборки структур TMD, немногие зашли так далеко, как группа из Корнелла.
Первое крупное открытие Мака и Шана в Корнелле касалось экситонов, сильно связанных электронно-дырочных пар, которые они наблюдали в TMD еще в 2014 году. Экситоны интригуют физиков, потому что они «квазичастицы” может предложить окольный путь к достижению вечной цели физики конденсированных сред: сверхпроводимости при комнатной температуре.
Экситоны играют по тем же причудливым правилам, что и пары электрон-электрон; эти электронно-дырочные пары тоже становятся бозонами, что позволяет им «конденсироваться» в общее квантовое состояние, известное как конденсат Бозе-Эйнштейна. Эта когерентная орда квазичастиц может проявлять квантовые черты, такие как сверхтекучесть, способность течь без сопротивления. (Когда сверхтекучие жидкости переносят электрический ток, они сверхпроводят.)
Но в отличие от отталкивающих электронов, электроны и дырки любят соединяться. Исследователи говорят, что это потенциально делает их клей прочнее. Проблемы сверхпроводимости на основе экситонов заключаются в том, чтобы не дать электрону заполнить дырку и заставить электрически нейтральные пары течь с током — и все это в как можно более теплой комнате. На данный момент Мак и Шан решили первую проблему и у них есть план решения второй.
Облака атомов можно превратить в конденсаты, охладив их на волосок выше абсолютного нуля с помощью мощных лазеров. Но теоретики давно подозревали, что конденсаты экситонов могут образовываться при более высоких температурах. Группа из Корнелла воплотила эту идею в реальность, создав штабелируемые TMD. Используя двухслойный сэндвич, они поместили лишние электроны в верхний слой и удалили электроны из нижнего, оставив дырки. Электроны и дырки объединились в пары, создав долгоживущие экситоны, потому что электронам трудно перепрыгнуть на противоположный слой, чтобы нейтрализовать своих партнеров. В октябре 2019 года группа зарегистрированные признаки экситонного конденсата при температуре 100 кельвинов. В этой установке экситоны сохранялись в течение десятков наносекунд, времени жизни для этого типа квазичастиц. Осенью 2021 годаГруппа описала усовершенствованный аппарат, в котором экситоны, по-видимому, существуют миллисекунды, что Мак назвал «практически навсегда».
Сейчас команда преследует схема придуман теоретиками в 2008 году для создания экситонного тока. Аллан Макдональд, известный теоретик конденсированных сред из Техасского университета в Остине, и его аспирант Юнг-Юнг Су предложили создать поток нейтральных экситонов, наложив электрическое поле, ориентированное таким образом, чтобы и электроны, и дырки двигались в одном направлении. Чтобы осуществить это в лаборатории, группа из Корнелла снова должна бороться со своим извечным врагом — электрическими контактами. В этом случае они должны прикрепить несколько наборов электродов к слоям TMD, одни для производства экситонов, а другие для их перемещения.
Шан и Мак считают, что они находятся на пути к тому, чтобы скоро получить поток экситонов с температурой до 100 кельвинов. Это холодная комната для человека (-173 градуса по Цельсию или -280 градусов по Фаренгейту), но это огромный скачок по сравнению с условиями нанокельвина, которые необходимы большинству бозонных конденсатов.
— Это само по себе будет хорошим достижением, — с хитрой улыбкой сказал Мак, — поднять температуру в миллиард раз.
Волшебные муаровые материалы
В 2018 году, когда лаборатория Корнелла наращивала свои эксперименты с TMD, еще один сюрприз с графеном положил начало второй революции в области 2D-материалов. Пабло Харильо-Эрреро, исследователь из Массачусетского технологического института и еще один выпускник Колумбийского университета, объявил, что скручивание одного слоя графена по отношению к слою ниже создает волшебный новый 2D-материал. Секрет заключался в том, чтобы сбросить верхний слой таким образом, чтобы его шестиугольники приземлились с небольшим «поворотом», то есть они были повернуты ровно на 1.1 градуса по отношению к шестиугольникам под ним. Это угловое смещение вызывает смещение между атомами, которое увеличивается и уменьшается по мере того, как вы перемещаетесь по материалу, создавая повторяющийся узор из больших «суперячеек», известных как муаровая сверхрешетка. Макдональд и его коллега рассчитано в 2011 г. что при «магическом угле» в 1.1 градуса уникальная кристаллическая структура сверхрешетки заставит электроны графена замедляться и ощущать отталкивание своих соседей.
Когда электроны узнают друг друга, происходят странные вещи. Считается, что в обычных изоляторах, проводниках и полупроводниках электроны взаимодействуют только с решеткой атомов; они мчатся слишком быстро, чтобы заметить друг друга. Но замедлившись до ползания, электроны могут толкать друг друга и коллективно принимать различные экзотические квантовые состояния. Опыты Харильо-Эрреро показали, что для мало понятный по причинам, эта электрон-электронная связь в скрученном графене под магическим углом приводит к особо сильная форма сверхпроводимости.
Графеновая муаровая сверхрешетка также познакомила исследователей с радикально новым способом управления электронами. В сверхрешетке электроны перестают обращать внимание на отдельные атомы и воспринимают сами сверхячейки так, как если бы они были гигантскими атомами. Это позволяет легко заполнить суперячейки достаточным количеством электронов для формирования коллективных квантовых состояний. Используя электрическое поле для увеличения или уменьшения среднего числа электронов на суперячейку, группа Харилло-Эрреро смогла заставить свое скрученное двухслойное графеновое устройство служить сверхпроводником, действовать как изоляторили отобразить плот других, странное поведение электрона.
Физики всего мира бросились в зарождающуюся область «твистроники». Но многие обнаружили, что скручивание — это тяжело. У атомов нет причин аккуратно попадать в «волшебное» смещение в 1.1 градуса, поэтому листы сморщиваются таким образом, что полностью меняют свои свойства. Ся, аспирантка Корнелла, сказала, что у нее есть куча друзей в других университетах, работающих с скрученными устройствами. Создание работающего устройства обычно требует десятков попыток. И даже тогда каждое устройство ведет себя по-разному, поэтому повторить конкретные эксперименты практически невозможно.
TMD представляют собой гораздо более простой способ создания муаровых сверхрешеток. Поскольку разные TMD имеют шестиугольные решетки разных размеров, наложение решетки из немного более крупных шестиугольников на решетку меньшего размера создает муаровый узор точно так же, как это происходит при смещении угла. В этом случае, поскольку между слоями нет вращения, стопка с большей вероятностью встанет на место и останется неподвижной. По ее словам, когда Ся намеревается создать муаровое устройство TMD, она обычно добивается успеха в четырех случаях из пяти.
Муаровые материалы TMD идеально подходят для изучения взаимодействия электронов. Поскольку материалы являются полупроводниками, их электроны становятся тяжелыми, когда они продираются через материалы, в отличие от неистовых электронов в графене. И гигантские муаровые ячейки замедляют их еще больше: в то время как электроны часто перемещаются между атомами путем «туннелирования», квантово-механического поведения, похожего на телепортацию, туннелирование редко происходит в муаровой решетке, поскольку суперячейки расположены примерно в 100 раз дальше друг от друга, чем атомы внутри них. . Расстояние помогает электронам успокоиться и дает им возможность узнать своих соседей.
Дружественный соперник Шана и Мака, Фенг Ван, был одним из первых, кто осознал потенциал муаровых сверхрешеток TMD. Предварительные расчеты предполагали, что эти материалы должны привести к одному из простейших способов организации электронов — состоянию, известному как вигнеровский кристалл, в котором взаимное отталкивание удерживает летаргические электроны на месте. Команда Вана увидела признаки таких состояний в 2020 году и опубликовано первое изображение электронов, удерживающих друг друга на расстоянии вытянутой руки в природа в 2021 году. К тому времени слухи о деятельности Вана по созданию муара TMD уже распространились по сплоченному сообществу 2D-физиков, и фабрика TMD в Корнелле производила собственные устройства для муара TMD. Шан и Мак также сообщили о наличии вигнеровских кристаллов в сверхрешетках TMD в 2020 году и в течение нескольких месяцев обнаружили, что электроны в их устройствах могут кристаллизоваться почти за две дюжины различных рисунков вигнеровских кристаллов.
В то же время группа Cornell также превращала муаровые материалы TMD в электроинструмент. Макдональд и сотрудники предсказал в 2018 году, что эти устройства имеют правильное сочетание технических характеристик, чтобы они идеально представляли одну из самых важных игрушечных моделей в физике конденсированного состояния. Модель Хаббарда, как ее называют, представляет собой теоретическую систему, используемую для понимания широкого спектра поведения электронов. Независимо предложенный Модель, разработанная Мартином Гутцвиллером, Дзюндзиро Канамори и Джоном Хаббардом в 1963 году, представляет собой лучшую попытку физиков разобрать практически бесконечное разнообразие кристаллических решеток до их наиболее существенных особенностей. Представьте себе сетку атомов, в которых находятся электроны. Модель Хаббарда предполагает, что на каждый электрон действуют две конкурирующие силы: он хочет двигаться, туннелируя к соседним атомам, но также отталкивается соседями, что заставляет его оставаться на месте. Различное поведение возникает в зависимости от того, какое желание является самым сильным. Единственная проблема с моделью Хаббарда заключается в том, что во всех случаях, кроме самого простого — одномерной цепочки атомов — она математически неразрешима.
По словам Макдональда и его коллег, муаровые материалы TMD могут действовать как «симуляторы» модели Хаббарда, потенциально решая некоторые из самых глубоких загадок, таких как природа клея, который связывает электроны в сверхпроводящие пары в купратах. Вместо того, чтобы бороться с невозможным уравнением, исследователи могли поместить электроны в сэндвич TMD и посмотреть, что они сделают. «Мы можем записать эту модель, но очень сложно ответить на множество важных вопросов», — сказал Макдональд. «Теперь мы можем сделать это, просто проведя эксперимент. Это действительно прорыв».
Чтобы создать симулятор модели Хаббарда, Шан и Мак сложили слои диселенида вольфрама и сульфида вольфрама, чтобы создать муаровую сверхрешетку, и прикрепили электроды, чтобы увеличивать или уменьшать электрическое поле, проходящее через сэндвич TMD. Электрическое поле контролировало, сколько электронов будет заполнять каждую суперячейку. Поскольку клетки действуют как гигантские атомы, переход от одного электрона к двум электронам на суперячейку был подобен преобразованию решетки атомов водорода в решетку атомов гелия. В их первоначальная публикация модели Хаббарда in природа в марте 2020 года они сообщили о моделировании атомов с двумя электронами; сегодня они могут доходить до восьми. В каком-то смысле они реализовали древнюю цель превратить свинец в золото. «Это похоже на настройку химии, — сказал Мак, — просмотр периодической таблицы». В принципе, они могут даже создать сетку из фиктивных атомов, скажем, с 1.38 электронами в каждом.
Затем группа обратилась к сердцам искусственных атомов. Имея больше электродов, они могли контролировать «потенциал» суперячеек, производя изменения, подобные добавлению положительных протонов в центры гигантских синтетических атомов. Чем больше заряд ядра, тем труднее электронам туннелировать, поэтому это электрическое поле позволяет им повышать и понижать тенденцию к прыжкам.
Мак и Шан контролировали гигантские атомы — и, следовательно, модель Хаббарда — были завершены. Муаровая система TMD позволяет вызывать сетку эрзац-атомов, даже не существующих в природе, и плавно трансформировать их по своему желанию. Это сила, которая даже для других исследователей в этой области граничит с магией. «Если бы мне нужно было выделить их самую захватывающую и впечатляющую работу, это была бы она», — сказала Ким.
Группа Корнелла быстро использовала свои дизайнерские атомы, чтобы разрешить спор 70-летней давности. Вопрос заключался в следующем: что, если бы вы могли взять изолятор и изменить его атомы, чтобы превратить его в проводящий металл? Переход будет происходить постепенно или резко?
С помощью муаровой алхимии Шан и Мак провели мысленный эксперимент в своей лаборатории. Сначала они смоделировали тяжелые атомы, которые захватывали электроны, так что сверхрешетка TMD действовала как изолятор. Затем они уменьшили атомы, ослабив ловушку, пока электроны не смогли выпрыгнуть на свободу, позволив сверхрешетке стать проводящим металлом. Наблюдая за постепенно падающим электрическим сопротивлением по мере того, как сверхрешетка ведет себя все больше как металл, они показали, что переход не является резким. Этот вывод, который они объявили in природа в прошлом году открывает возможность того, что электроны сверхрешетки могут достичь долгожданного типа текучести, известного как квантовая спиновая жидкость. «Возможно, это самая интересная проблема, которую можно решить», — сказал Мак.
Почти в то же время паре повезло сделать то, что некоторые физики считают своим самым значительным открытием. «На самом деле это был полный несчастный случай, — сказал Мак. «Никто не ожидал».
Когда они начали свои исследования на симуляторе Хаббарда, исследователи использовали сэндвичи TMD, в которых шестиугольники на двух слоях выровнены, с переходными металлами поверх переходных металлов и халькогенидами поверх халькогенидов. (Именно тогда они обнаружили постепенный переход изолятора в металл.) Затем, по счастливой случайности, они повторили эксперимент с устройствами, в которых верхний слой был уложен в обратном порядке.
Как и прежде, сопротивление начало падать, когда электроны начали прыгать. Но затем он резко рухнул, опустившись так низко, что исследователи задались вопросом, не начал ли муар сверхпроводиться. Однако, исследуя дальше, они измерил редкий образец сопротивления известный как квантовый аномальный эффект Холла — доказательство того, что происходит что-то еще более странное. Эффект указывал на то, что кристаллическая структура устройства заставляла электроны вдоль края материала вести себя иначе, чем в центре. В середине устройства электроны были захвачены в изолирующем состоянии. Но по периметру они текли в одном направлении — объясняя сверхнизкое сопротивление. Случайно исследователи создали чрезвычайно необычный и хрупкий тип материи, известный как изолятор Черна.
квантовый аномальный эффект холла, впервые наблюдался в 2013 году, обычно разваливается, если температура поднимается выше нескольких сотых долей Кельвина. В 2019 году группа Янга в Санта-Барбаре видела это в одноразовый сэндвич из скрученного графена около 5 кельвинов. Теперь Шан и Мак добились этого эффекта почти при той же температуре, но в устройстве TMD без поворота, которое каждый может воссоздать. «У нас была более высокая температура, но я измерю их в любой день, потому что они могут сделать это 10 раз подряд», — сказал Янг. Это означает, что вы можете понять его «и использовать его, чтобы действительно что-то сделать».
Мак и Шан считают, что, немного повозившись, они могут использовать муаровые материалы TMD для создания изоляторов Черна, выдерживающих температуру от 50 до 100 кельвинов. Если они добьются успеха, работа может привести к другому способу протекания тока без сопротивления — по крайней мере, для крошечных «нанопроводов», которые они могут даже включать и выключать в определенных местах внутри устройства.
Разведка во Флатландии
Несмотря на то, что знаменательные результаты накапливаются, пара не собирается сбавлять обороты. В тот день, когда я был там, Мак наблюдал, как студенты возились с огромным холодильником для разбавления, который позволял им охлаждать свои устройства до температур в тысячу раз более низких, чем те, с которыми они работали до сих пор. Было так много физики, которую нужно было открыть в «более теплых» условиях, что у группы не было возможности тщательно исследовать более глубокую криогенную область на предмет признаков сверхпроводимости. Если суперхолодильник позволяет TMD сверхпроводить, это ответит еще на один вопрос, показав, что форма магнетизма, присущая купратам (но отсутствует в TMD) не является важным ингредиентом клея, связывающего электроны. «Это все равно, что убить один из важных компонентов, который теоретики очень давно хотели убить», — сказал Мак.
Он, Шан и их группа даже не начали экспериментировать с некоторыми из самых необычных TMD. Потратив годы на изобретение оборудования, необходимого для перемещения по континенту 2D-материалов, они, наконец, готовятся выйти за пределы плацдарма с дисульфидом молибдена, на который они приземлились еще в 2010 году.
Два исследователя связывают свой успех с культурой сотрудничества, которую они усвоили в Колумбии. По их словам, первоначальное сотрудничество с Hone, которое познакомило их с дисульфидом молибдена, было лишь одной из многих возможностей, которыми они воспользовались, потому что они могли свободно следовать своему любопытству. «Нам не нужно было обсуждать» их планы с Хайнцем, главой их лаборатории, сказал Шан. «Мы разговаривали с людьми из других групп. Мы проводили эксперименты. Мы даже завернули вещи».
Сегодня они создают такую же непринужденную атмосферу в Корнелле, где наблюдают за парой десятков постдоков, приглашенных исследователей и студентов, каждый из которых в значительной степени свободен заниматься своими делами. «Студенты очень умны и у них есть хорошие идеи, — сказал Мак. «Иногда не хочется вмешиваться».
Их брак также делает их лабораторию уникальной. Эти двое научились опираться на свои личные сильные стороны. Помимо изобилия творческих способностей экспериментатора, Шан обладает тщательной дисциплиной, что делает ее хорошим менеджером; Пока мы беседовали втроем, она часто подталкивала «профессора Фая» в нужное русло, когда его энтузиазм в физике толкал его слишком глубоко в технические детали. Мак, со своей стороны, любит трудиться вместе с начинающими исследователями как в лаборатории, так и за ее пределами. Недавно он начал заниматься скалолазанием с группой. «Похоже, что их лаборатория — это их семья», — сказал Янг. Шан и Мак сказали мне, что вместе они достигают большего, чем поодиночке. — Один плюс один больше двух, — сказал Мак.
Устройства, которые они создают, также могут быть больше, чем сумма их частей. По мере того, как исследователи соединяют листы TMD вместе для создания экситонов и муаровых сверхрешеток, они размышляют о том, как новые способы приручения электронов могут ускорить технологию. Даже если сверхпроводимость в кармане останется неуловимой, конденсаты Бозе-Эйнштейна могут привести к сверхчувствительным квантовым датчикам, а лучший контроль над изоляторами типа Черна может позволить мощные квантовые компьютеры. И это только очевидные идеи. Постепенные улучшения в материаловедении часто приводят к радикальным применениям, о которых мало кто догадывался. Исследователям, которые разработали транзистор, например, было бы трудно предсказать появление смартфонов с миллиардами микроскопических переключателей, встроенных в чип размером с ноготь. И ученые, которые пытались создать стеклянные волокна, которые могли бы передавать свет через их лабораторный стол, не могли предвидеть, что 10,000 XNUMX-километровые подводные оптические волокна когда-нибудь свяжут континенты. Двумерные материалы могут развиваться в столь же непредсказуемых направлениях. «Действительно новая платформа материалов создает свои собственные приложения, а не вытесняет существующие материалы», — сказал Хайнц.
Пока мы везли меня на автобусную остановку Итака, Шан и Мак рассказали мне о недавнем (и редком) отпуске, который они провели в Банфе, Канада, где они еще раз продемонстрировали свое умение натыкаться на сюрпризы благодаря сочетанию усилий и удачи. Они потратили дни, пытаясь — тщетно — обнаружить медведя. Затем, в конце пути, по пути в аэропорт, они остановились размять ноги в ботаническом заповеднике и оказались лицом к лицу с черным медведем.
Точно так же и с физикой конденсированного состояния их подход заключается в том, чтобы вместе побродить по новому ландшафту и посмотреть, что там появится. «У нас не так много теоретических указаний, но мы просто дурачимся и играем с экспериментами», — сказал Мак. «Это может потерпеть неудачу, но иногда вы можете столкнуться с чем-то очень неожиданным».
