Molybdenit, även för det tränade ögat, ser nästan identisk ut med grafit - en glänsande, silverglänsande kristall. Den fungerar likadant också, och tar bort flingor på ett sätt som skulle ge en bra pennfyllning. Men för en elektron bildar de två rutnäten av atomer olika världar. Distinktionen kom först in i det vetenskapliga rekordet för 244 år sedan. Carl Scheele, en svensk kemist känd för sin upptäckt av syre, sänkte varje mineral i olika syror och såg de kusliga gasmolnen som böljade fram. Scheele, som så småningom betalade för detta tillvägagångssätt med sitt liv, som dog av misstänkt tungmetallförgiftning vid 43, drog slutsatsen att molybdenit var ett nytt ämne. Han beskrev det i ett brev till Kungliga Vetenskapsakademien 1778 och skrev: ”Jag syftar här inte på den allmänt kända grafit som man kan förvärva hos apotekaren. Denna övergångsmetall verkar vara okänd.”
Med sin tendens att flagna till pulverformiga fragment blev molybdenit ett populärt smörjmedel på 20-talet. Det hjälpte skidorna att glida längre genom snön och jämnade ut kulornas utgång från gevärspipor i Vietnam.
Idag är samma fläckighet som underblåser en fysikrevolution.
Genombrotten började med grafit och tejp. Forskare upptäckte av en slump 2004 att de kunde använda tejp för att skala bort flingor av grafit med bara en atoms tjocklek. Dessa kristallina ark, var och en en platt samling av kolatomer, hade häpnadsväckande egenskaper som skilde sig radikalt från de tredimensionella kristallerna de kom ifrån. Grafen (som dess upptäckare kallade det) var en helt ny kategori av substans - ett 2D-material. Dess upptäckt förvandlade den kondenserade materiens fysik, den gren av fysiken som försöker förstå materiens många former och beteenden. Nästan hälften av alla fysiker är den kondenserade materiens fysiker; det är underområdet som förde oss datachips, lasrar, LED-lampor, MRI-maskiner, solpaneler och alla möjliga moderna tekniska underverk. Efter upptäckten av grafen började tusentals fysiker av kondenserad materia studera det nya materialet i hopp om att det skulle stödja framtida teknologier.
Graphenes upptäckare fick Nobelpriset i fysik 2010. Samma år fick två unga fysiker vid Columbia University, Jie Shan och Kin Fai Mak, såg tecken på att flingor av molybdenit kan vara ännu mer magiska än grafen. Det mindre kända mineralet har egenskaper som gör det svårt att studera - för tufft för många labb - men det fängslade Shan och Mak. Den envisa duon ägnade nästan ett decennium åt att gräla 2D-molybdenit (eller molybdendisulfid, som den labbodlade versionen av kristallen kallas) och en familj av närbesläktade 2D-kristaller.
Nu ger deras ansträngningar resultat. Shan och Mak, som nu är gifta och driver en gemensam forskargrupp vid Cornell University, har visat att 2D-kristaller av molybdendisulfid och dess släktingar kan ge upphov till en enorm variation av exotiska kvantfenomen. "Det är en galen lekplats," sa James Hone, en forskare vid Columbia som förser Cornell-labbet med högkvalitativa kristaller. "Du kan göra all modern fysik för kondenserad materia i ett materialsystem."
Shan och Maks grupp har fångat elektroner som beter sig på ett aldrig tidigare skådat sätt i dessa platta kristaller. De har lockat partiklarna att smälta samman till en kvantvätska och frysa in i en mängd isliknande strukturer. De har lärt sig att sätta ihop rutnät av gigantiska konstgjorda atomer som nu fungerar som testbäddar för grundläggande teorier om materia. Sedan de öppnade sitt Cornell-labb 2018 har mästerelektrontämjare publicerat åtta iögonfallande artiklar i Natur, den mest prestigefyllda tidskriften inom vetenskap, samt en rad ytterligare artiklar. Teoretiker säger att paret utökar förståelsen för vad mängder av elektroner är kapabla till.
Deras forskning "är djupt imponerande i många aspekter", sa Philip Kim, en framstående fysiker för kondenserad materia vid Harvard University. "Det är, skulle jag säga, sensationellt."
Uppkomsten av 2D-material
Ett material egenskaper återspeglar i allmänhet vad dess elektroner gör. I ledare som metaller, till exempel, seglar elektroner mellan atomer med lätthet och bär elektricitet. I isolatorer som trä och glas stannar elektronerna kvar. Halvledare som kisel hamnar däremellan: Deras elektroner kan tvingas röra sig med ett inflöde av energi, vilket gör dem idealiska för att koppla på och stänga av strömmar - jobbet för en transistor. Under de senaste 50 åren, förutom dessa tre grundläggande elektronbeteenden, har fysiker av kondenserad materia sett de lätta laddade partiklarna bete sig på många mer exotiska sätt.
En av de mer dramatiska överraskningarna kom 1986, när två IBM-forskare, Georg Bednorz och Alex Müller, detekterad en ström av elektroner som rör sig genom en kopparoxidkristall (“kuprat”) utan något som helst motstånd. Denna supraledning - elektricitetens förmåga att flöda med perfekt effektivitet - hade setts tidigare, men bara av välförstådda skäl i material som kylts till inom några få grader av den absoluta nollpunkten. Den här gången observerade Bednorz och Müller en mystisk form av fenomenet som höll i sig på rekordhöga 35 kelvin (det vill säga 35 grader över absolut noll). Forskare upptäckte snart andra kuprater som leder över 100 kelvin. En dröm föddes som kanske fortfarande är det främsta målet för den kondenserade materiens fysik idag: att hitta eller konstruera ett ämne som kan supraleda elektricitet i vår heta värld med ungefär 300 kelvin, vilket möjliggör förlustfria kraftledningar, svävande fordon och andra hypereffektiva enheter som skulle avsevärt minska mänsklighetens energibehov.
Nyckeln till supraledning är att coaxera elektroner, som normalt stöter bort varandra, för att para ihop sig och bilda enheter som kallas bosoner. Bosoner kan sedan kollektivt smälta in i en friktionsfri kvantvätska. Attraktiva krafter som skapar bosoner, såsom atomvibrationer, kan normalt övervinna elektroners repulsion endast vid kryogena temperaturer eller högt tryck. Men behovet av dessa extrema förhållanden har hindrat supraledning från att leta sig in i vardagliga enheter. Upptäckten av kuprater väckte förhoppningar om att rätt atomgitter skulle kunna "limma" elektroner så hårt att de skulle sitta fast även vid rumstemperatur.
Fortsatt 40 år efter Bednorz och Müllers upptäckt, är teoretiker fortfarande inte helt säkra på hur limet i cuprates fungerar, än mindre hur man justerar materialen för att stärka det. Därför är mycket forskning inom den kondenserade materiens fysik en försök-och-fel-jakt på kristaller som kan hålla sina elektroner parade eller herda elektroner på andra underbara sätt. "Kondenserad materia är en gren av fysiken som tillåter serendipiteter," sa Kim. Sådan var upptäckten av 2004D-material 2.
Andre Geim och Konstantin Novoselov, arbetar med grafit vid University of Manchester i Storbritannien, upptäckt en chockerande konsekvens av materialets fläckighet. En grafitkristall innehåller kolatomer ordnade i löst bundna ark av hexagoner. Teoretiker hade länge förutspått att utan den stabiliserande inverkan av stapeln skulle värmeinducerade vibrationer bryta upp ett ettskiktsark. Men Geim och Novoselov fann att de kunde dra av stabila, atomärt tunna ark med lite mer än tejp och envishet. Grafen var det första riktigt platta materialet - ett plan där elektroner kan glida runt men inte upp och ner.
Hone, Columbia-fysikern, upptäckte att världens tunnaste material på något sätt är också den starkaste. Det var en anmärkningsvärd upprördhet för ett material som teoretiker trodde inte skulle hänga ihop alls.
Det som mest fascinerade fysikerna med grafen var hur kolplattan omvandlade elektroner: Ingenting kunde bromsa dem. Elektroner blir ofta snubblade av atomnätverket som de rör sig genom, och fungerar tyngre än deras massa i läroboken (en isolators orörliga elektroner fungerar som om de har oändlig massa). Grafens platta gitter lät dock elektroner susa runt med en miljon meter per sekund — bara några hundra gånger långsammare än ljusets hastighet. Vid den konstanta, blåsande hastigheten flög elektronerna som om de inte hade någon massa alls, vilket välsignade grafen med extrem (men inte super) ledningsförmåga.
Ett helt fält växte upp runt undermaterialet. Forskare började också tänka bredare. Kan 2D-flingor av andra ämnen hysa sina egna superkrafter? Hone var bland dem som grenade ut. 2009 mätte han några mekaniska egenskaper hos grafits dubbelgänger, molybdendisulfid, och skickade sedan kristallen vidare till två optiska specialister i Columbia-labbet av Tony Heinz. Det var ett tillfälligt drag som skulle förändra karriären för alla inblandade.
Molybdendisulfidprovet landade i händerna på Jie Shan, en gästprofessor tidigt i hennes karriär, och Kin Fai Mak, en doktorand. Den unga duon studerade hur grafen interagerar med ljus, men de hade redan börjat dagdrömma om andra material. Grafens snabba elektroner gör den till en fantastisk ledare, men vad de ville ha var en 2D-halvledare — ett material vars flöde av elektroner de kunde slå på och av, och som därför kunde fungera som en transistor.
Molybdendisulfid var känt för att vara en halvledare. Och Shan och Mak fick snart reda på att den, precis som grafit, fick ytterligare krafter i 2D. När de riktade en laser på 3D-kristaller av "molydisulfid" (som de kärleksfullt kallar det), förblev kristallerna mörka. Men när Shan och Mak slet av lager med tejp, slog dem med en laser och undersökte dem under ett mikroskop såg de 2D-arken lysa starkt.
Forskning från andra grupper skulle senare bekräfta att välgjorda ark av ett närbesläktat material återspeglar varenda foton som träffar dem. "Det är lite häpnadsväckande," sa Mak nyligen när jag träffade honom och Shan på deras gemensamma kontor på Cornell. "Du har bara ett enda ark med atomer, och det kan reflektera 100% av ljuset som en perfekt spegel." De insåg att denna egenskap kan leda till spektakulära optiska enheter.
Oberoende av, Feng Wang, en fysiker vid University of California, Berkeley, gjorde samma upptäckt. Ett 2D-material som var mycket reflekterande och en halvledare att starta upp fångade samhällets uppmärksamhet. Både grupper publicerade sina resultat 2010; tidningarna har sedan dess fått mer än 16,000 2 citeringar mellan sig. "Alla med laser började bli väldigt intresserade av XNUMXD-material," sa Hone.
Genom att identifiera molydisulfid som ett andra 2D-undermaterial, hade de två grupperna landat på en hel kontinent av 2D-material. Molydisulfid tillhör en familj av ämnen som kallas övergångsmetalldikalkogenider (TMDs), där atomer från det metalliska mittområdet i det periodiska systemet, såsom molybden, länkar samman med par av kemiska föreningar som kallas kalkogenider, såsom svavel. Molydisulfid är den enda naturligt förekommande TMD, men det finns dussintals till som forskare kan piska upp i laboratorier — volframdisulfid, molybdenditellurid och så vidare. De flesta bildar svagt bundna ark, vilket gör dem mottagliga för affärssidan av en tejpbit.
Den första vågen av spänning ebbade dock snart ut, eftersom forskare kämpade för att få TMD att göra mer än att lysa. Wangs grupp, för en, föll tillbaka på grafen efter att ha upptäckt att de inte lätt kunde fästa metallelektroder till molydisulfid. "Det har varit stötestenen för vår grupp under ganska många år", sa han. – Inte ens nu är vi så bra på att ta kontakt. Det verkade som att den största fördelen med TMD jämfört med grafen också var deras största svaghet: För att studera ett materials elektroniska egenskaper måste forskare ofta trycka in elektroner i det och mäta resistansen hos den resulterande strömmen. Men eftersom halvledare är dåliga ledare är det svårt att få in eller ut elektroner.
Mak och Shan kände sig först ambivalenta. "Det var verkligen oklart om vi skulle fortsätta arbeta med grafen eller börja arbeta med detta nya material," sa Mak. "Men eftersom vi fann att det har den här fina egenskapen, fortsatte vi att göra några fler experiment."
När de arbetade blev de två forskarna allt mer förtrollade av molydisulfid och av varandra. Till en början var deras kontakt professionell, begränsad till stor del till forskningsfokuserade e-postmeddelanden. "Fai frågade ofta: 'Var är den där utrustningen? Var lade du det där?” sa Shan. Men så småningom blev deras relation, inkuberad av långa timmar och katalyserad av experimentell framgång, romantisk. "Vi sågs bara för ofta, bokstavligen i samma labb som arbetade med samma projekt," sa Mak. "Projektet som fungerade mycket bra gjorde oss också glada."
All fysik hela tiden
Det skulle krävas ett partnerskap mellan två hängivna fysiker med järndisciplin för att få de besvärliga TMD:erna att kränga.
Akademiker kom alltid lätt till Shan. När hon växte upp på 1970-talet i kustprovinsen Zhejiang var hon en stjärnstudent, utmärkte sig i matematik, naturvetenskap och språk och fick en eftertraktad plats vid University of Science and Technology i Kina i Hefei. Där kvalificerade hon sig för ett selektivt kulturellt utbytesprogram mellan Kina och Sovjetunionen, och hon hoppade på chansen att studera ryska och fysik vid Moscow State University. "När du är tonåring är du ivrig att utforska världen", sa hon. "Jag tvekade inte."
Genast såg hon mer av världen än hon hade räknat med. Visumproblem försenade hennes ankomst till Ryssland med några månader, och hon förlorade sin plats i språkprogrammet. Myndigheterna hittade henne en annan kurs, och kort efter landning i Moskva gick hon ombord på ett tåg och reste 5,000 XNUMX kilometer österut. Tre dagar senare anlände hon till staden Irkutsk mitt i Sibirien vid vinterns början. "Rådet jag fick var: 'Rör aldrig, aldrig någonting utan handskar'" så att hon inte skulle fastna, sa hon.
Shan behöll handskarna på sig, lärde sig ryska på en enda termin och kom att uppskatta den skarpa skönheten i det vintriga landskapet. När kursen slutade och snön smälte återvände hon till huvudstaden för att påbörja sin fysikexamen och anlände till Moskva våren 1990, mitt i Sovjetunionens upplösning.
Det var kaotiska år. Shan såg stridsvagnar rulla genom gatorna nära universitetet när kommunister försökte återta kontrollen över regeringen. Vid ett annat tillfälle, strax efter en sista tentamen, utbröt bråk. "Vi kunde höra skottlossning och vi blev tillsagda att släcka lamporna i sovsalen," sa hon. Allt, från mat till toalettpapper, ransonerades genom ett kupongsystem. Ändå kände Shan sig inspirerad av motståndskraften hos hennes professorer, som fortsatte med sin forskning trots turbulensen. "Förutsättningarna var tuffa, men många av forskarna hade en sådan attityd. De älskar verkligen det de gör, trots vad som händer”, sa hon.
När världsordningen kollapsade utmärkte Shan sig och publicerade ett teoretiskt optikpapper som fångade Heinz ögon på Columbia. Han uppmuntrade henne att söka, och hon flyttade till New York, där hon då och då hjälpte andra internationella studenter att få fotfäste i ett främmande land. Hon rekryterade Wang till att arbeta i Heinz labb, till exempel, och delade med sig av experimentella tips. "Hon lärde mig att ha tålamod," sa han, och "hur man inte blir frustrerad över lasern."
De flesta forskare tar en postdoktorandtjänst efter att ha tagit sin doktorsexamen, men Shan började på Case Western Reserve University direkt som docent 2001. Flera år senare, på ett sabbatsår, återvände hon till Heinz labb i Columbia. För en gångs skull var hennes timing slumpmässig. Hon började samarbeta med en charmig och ljusögd doktorand i Heinz grupp, Kin Fai Mak.
Mak hade följt en annan, mindre tumultartad väg till New York City. När han växte upp i Hong Kong, kämpade han i skolan, eftersom lite förutom fysik var vettigt för honom. "Det var det enda jag gillar och var faktiskt bra på, så jag valde fysik," sa han.
Hans grundforskning vid Hong Kong University stack ut, och Heinz rekryterade honom för att gå med i Columbias blomstrande fysikprogram för kondenserad materia. Där kastade han sig över forskning och tillbringade nästan alla sina vakna timmar i labbet förutom en och annan omgång intramural fotboll. Andrea Young, en medstudent (nu biträdande professor vid University of California, Santa Barbara), delade en lägenhet med Mak på West 113th Street. ”Jag hade tur om jag kunde fånga honom vid 2-tiden på morgonen för att laga lite pasta och prata om fysik. Det var fysik hela tiden, säger Young.
Men de goda tiderna varade inte. Kort efter en utflykt till Amazonas regnskog i Colombia med Young blev Mak sjuk. Hans läkare var inte säkra på vad de skulle göra om hans förbryllande testresultat, och han blev sjukare. En lycklig slump räddade hans liv. Young beskrev situationen för sin far, en medicinsk forskare, som omedelbart kände igen tecknen på aplastisk anemi - ett ovanligt blodtillstånd som råkade vara föremål för hans egen forskning. "Det är faktiskt väldigt sällsynt att få den här sjukdomen, först och främst," sa Mak. "Och ännu ovanligare att få en sjukdom som din rumskamrats pappa är expert på."
Youngs pappa hjälpte Mak registrera sig för experimentella behandlingar. Han tillbringade en stor del av sitt sista år på forskarskolan på sjukhuset och var nära döden flera gånger. Under hela prövningen drev Maks iver för fysik honom att fortsätta arbeta. "Han skrev PRL brev från sin sjukhussäng”, sa Young och syftade på journalen Fysiska granskningsbrev. "Trots allt detta var han en av de mest produktiva eleverna någonsin," sa Heinz. "Det var något av ett mirakel."
Ytterligare behandlingar hjälpte så småningom Mak göra en fullständig återhämtning. Young, själv en välkänd experimentalist, skulle senare skämta om sina interventioner, "Bland vänner kallar jag det mitt största bidrag till fysiken."
In i 2D-vildmarken
Mak gick vidare till Cornell som postdoktor 2012, då Shan redan hade återvänt till Case Western. De drev individuella projekt med grafen och andra material, men de fortsatte också att låsa upp ytterligare hemligheter för TMDs tillsammans.
Hos Cornell lärde Mak sig konsten att mäta elektrontransport - det andra huvudsakliga sättet att spå om elektronernas rörelse, förutom optik. Denna expertis gjorde honom och Shan till ett dubbelt hot inom ett område där forskare vanligtvis specialiserar sig på den ena eller den andra typen. "När jag träffar Fai och Jie klagar jag: 'Det är orättvist att ni transporterar'", sa Kim. "Vad ska jag göra?"
Ju mer duon lärde sig om TMD, desto mer spännande blev de. Forskare fokuserar vanligtvis på en av två egenskaper hos elektroner: deras laddning och spinn (eller inneboende rörelsemängd). Att kontrollera flödet av elektrisk laddning är grunden för modern elektronik. Och att vända elektronernas spinn kan leda till "spintronics"-enheter som packar mer information i mindre utrymmen. Under 2014, Mak hjälpte till att upptäcka att elektroner i 2D-molydisulfid kan förvärva en speciell tredje egenskap: Dessa elektroner måste röra sig med specifika mängder av momentum, ett kontrollerbart attribut som kallas "dal" som forskare spekulerar kan skapa ännu ett tredje område av "valleytronics"-teknologi.
Samma år identifierade Mak och Shan en annan slående egenskap hos TMD:er. Elektroner är inte de enda enheterna som rör sig genom en kristall; fysiker spårar också "hål", de vakanser som skapas när elektroner hoppar någon annanstans. Dessa hål kan ströva omkring i ett material som riktiga positivt laddade partiklar. Det positiva hålet attraherar en negativ elektron för att bilda ett flyktigt partnerskap, känt som en exciton, i ögonblicket innan elektronen täpper till hålet. Shan och Mak mätte attraktionen mellan elektroner och hål i 2D volframdiselenid och fann det hundratals gånger starkare än i en typisk 3D-halvledare. Fyndet antydde att excitoner i TMD kan vara särskilt robusta och att elektroner i allmänhet var mer benägna att göra alla möjliga konstiga saker.
Paret säkrade positioner tillsammans vid Pennsylvania State University och startade ett labb där. Till slut var de övertygade om att TMD:er var värda att satsa sina karriärer på och gjorde materialet till fokus för sin nya grupp. De gifte sig också.
Samtidigt såg Hones team på Columbia att grafens egenskaper blev ännu mer extrema när de placerade den ovanpå en högkvalitativ isolator, bornitrid. Det var ett tidigt exempel på en av de mest nya aspekterna av 2D-material: deras stapelbarhet.
Lägg ett 2D-material ovanpå ett annat, och lagren kommer att sitta en bråkdel av en nanometer från varandra - inget avstånd alls från perspektivet av deras elektroner. Som ett resultat smälter staplade ark effektivt samman till ett ämne. "Det är inte bara två material tillsammans," sa Wang. "Du skapar verkligen ett nytt material."
Medan grafen uteslutande består av kolatomer, tar den olika familjen av TMD-gitter dussintals ytterligare element in i staplingsspelet. Varje TMD har sina egna inneboende förmågor. Vissa är magnetiska; andras supraledning. Forskare såg fram emot att blanda och matcha dem till modematerial med sina kombinerade krafter.
Men när Hones grupp placerade molydisulfid på en isolator, visade egenskaperna hos stapeln svaga vinster jämfört med vad de hade sett i grafen. Så småningom insåg de att de inte hade kontrollerat kvaliteten på TMD-kristallerna. När de lät några kollegor sticka sin molydisulfid under ett mikroskop som kunde lösa upp enskilda atomer, blev de förbluffade. Vissa atomer satt på fel plats, medan andra hade försvunnit helt. Så många som 1 av 100 gitterplatser hade något problem, vilket hindrade gittrets förmåga att rikta elektroner. Grafen, i jämförelse, var bilden av perfektion, med ungefär en defekt per miljon atomer. "Vi insåg äntligen att det vi hade köpt var fullständigt skräp," sa Hone.
Runt 2016 bestämde han sig för att gå in i verksamheten med att växa TMD:er av forskningsklass. Han rekryterade en postdoc, Daniel Rhodes, med erfarenhet av att odla kristaller genom att smälta pulver av råmaterial vid extremt höga temperaturer och sedan kyla dem i en glacial takt. "Det är som att odla stengodis från socker i vatten," förklarade Hone. Den nya processen tog en månad, jämfört med några dagar för kommersiella metoder. Men den producerade TMD-kristaller hundratals till tusentals gånger bättre än de som säljs i kemikaliekataloger.
Innan Shan och Mak kunde dra nytta av Hones allt mer orörda kristaller stod de inför den oglamorösa uppgiften att ta reda på hur man arbetar med mikroskopiska flingor som inte gillar att ta emot elektroner. För att pumpa in elektroner (grunden för transporttekniken Mak hade plockat upp som postdoc) var paret besatta av otaliga detaljer: vilken typ av metall som ska användas för elektroden, hur långt från TMD att placera den, till och med vilka kemikalier som ska användas. använd för att rengöra kontakterna. Att prova de oändliga sätten att sätta upp elektroder var långsamt och mödosamt - "en tidskrävande process att förfina detta eller förfina det bit för bit," sa Mak.
De ägnade också år åt att ta reda på hur man lyfter och staplar de mikroskopiska flingorna, som bara mäter tiondels miljondelar av en meter i diameter. Med den här förmågan, plus Hones kristaller och förbättrade elektriska kontakter, kom allting samman 2018. Paret flyttade till Ithaca, New York, för att ta nya positioner på Cornell, och en kaskad av banbrytande resultat rann ut från deras labb.
Genombrott hos Cornell
"I dag är allt svårt att plocka upp av någon anledning", sa Zhengchao Xia, en doktorand i Mak och Shans grupp, när den mörka silhuetten av en bornitridflinga hotade att lossna och falla tillbaka till kiselytan nedanför. Det Madagaskarformade arket klamrade sig svagt fast vid en grafitbit som liknade Saudiarabien, ungefär som papper kan klänga fast vid den sprakande ytan på en nyligen gnidad ballong. Grafiten var i sin tur fast vid en sliskig daggdroppe av plast fäst på en glasskiva. Xia använde ett datorgränssnitt för att rikta ett motoriserat stativ som grep tag i bilden. Som en arkadbesökare kunde manövrera en klomaskin med en joystick, lyfte hon försiktigt upp stapeln i luften med en hastighet av en femtedels miljondels meter per musklick och stirrade intensivt på datorskärmen för att se om hon hade lyckades fånga bornitridflingan.
Hon hade. Med ytterligare några klick lossnade tvåskiktsstacken och Xia rörde sig snabbt men medvetet för att deponera flingorna på ett tredje material inbäddat med spretiga metallelektroder. Med ytterligare några klick värmde hon upp ytan och smälte objektglasets plastlim innan någon av oss kunde nysa bort den mikroskopiska enheten.
"Jag har alltid den här mardrömmen att det bara försvinner," sa hon.
Från början till slut hade det tagit Xia mer än en timme att montera den nedre halvan av en enkel enhet - motsvarande en öppen PB&J. Hon visade mig en annan stack hon nyligen hade satt ihop och skramlade av några av ingredienserna, som inkluderade TMD:s tungstendiselenide och molyditelluride. En av dussintals mikroskopiska smörgåsar hon har konstruerat och studerat under det senaste året, denna Dagwood av en enhet hade hela 10 lager och tog flera timmar att montera.
Denna stapling av 2D-material, som också görs i laboratorier vid Columbia, Massachusetts Institute of Technology, Berkeley, Harvard och andra institutioner, representerar förverkligandet av en långdrömd dröm för fysiker av kondenserad materia. Forskare är inte längre begränsade till material som finns i marken eller odlas långsamt i ett labb. Nu kan de leka med den atomära motsvarigheten till legoklossar, knäppa ihop ark för att bygga skräddarsydda strukturer med önskade egenskaper. När det gäller montering av TMD-strukturer har få gått så långt som Cornell-gruppen.
Mak och Shans första stora upptäckt på Cornell gällde excitoner, de starkt bundna elektron-hålpar som de hade sett i TMD redan 2014. Excitoner intrigerar fysiker eftersom dessa "kvasipartiklar” kan erbjuda ett omvägande sätt att uppnå ett ständigt mål för den kondenserade materiens fysik: supraledning i rumstemperatur.
Excitoner spelar efter samma läckra regler som elektron-elektronpar; Dessa elektron-hålpar blir också bosoner, vilket låter dem "kondensera" till ett delat kvanttillstånd känt som ett Bose-Einstein-kondensat. Denna sammanhängande hord av kvasipartiklar kan visa kvantegenskaper som superfluiditet, förmågan att flöda utan motstånd. (När en supervätska bär elektrisk ström är den supraledare.)
Men till skillnad från frånstötande elektroner älskar elektroner och hål att kopplas ihop. Forskare säger att detta potentiellt gör deras lim starkare. Utmaningarna för excitonbaserad supraledning ligger i att hålla elektronen från att fylla hålet och att få de elektriskt neutrala paren att flyta i en ström - allt i ett så varmt rum som möjligt. Hittills har Mak och Shan löst det första problemet och har en plan för att ta itu med det andra.
Moln av atomer kan lockas till att bilda kondensat genom att kyla dem till ett hårstrå över absolut noll med kraftfulla lasrar. Men teoretiker har länge misstänkt att kondensat av excitoner kan bildas vid högre temperaturer. Cornell-gruppen gjorde denna idé till verklighet med sina stapelbara TMD:er. Med hjälp av en tvålagers sandwich lade de extra elektroner i det översta lagret och tog bort elektroner från botten och lämnade hål. Elektronerna och hålen parades ihop, vilket gör excitoner som är långlivade eftersom elektronerna har problem med att hoppa till det motsatta lagret för att neutralisera sina partner. I oktober 2019, gruppen rapporterade tecken av ett excitonkondensat vid ljumma 100 kelvin. I den här uppsättningen kvarstod excitonerna i tiotals nanosekunder, en livstid för denna typ av kvasipartiklar. Hösten 2021, beskrev gruppen en förbättrad apparat där excitoner verkar pågå i millisekunder, vilket Mak kallade "praktiskt taget för evigt".
Laget fortsätter nu ett schema komponerade av teoretiker 2008 för att skapa en excitonström. Allan MacDonald, en framstående teoretiker av kondenserad materia vid University of Texas, Austin, och hans doktorand Jung-Jung Su föreslog att neutrala excitoner skulle flöda genom att applicera ett elektriskt fält orienterat på ett sätt som uppmuntrar både elektroner och hål att röra sig i samma riktning. För att klara det i labbet måste Cornell-gruppen än en gång brottas med sin perenna fiende, elektriska kontakter. I det här fallet måste de fästa flera uppsättningar elektroder på TMD-skikten, några för att tillverka excitonerna och andra för att flytta dem.
Shan och Mak tror att de är på väg att få excitoner att flöda med upp till 100 kelvin snart. Det är ett kallt rum för en person (−173 grader Celsius eller -280 grader Fahrenheit), men det är ett stort steg från de nanokelvinförhållanden som de flesta bosoniska kondensat behöver.
"Det kommer i sig vara en bra prestation," sa Mak med ett slug leende, "att värma upp temperaturen en miljard gånger."
Magiska Moiré-material
Under 2018, medan Cornell-labbet ökade sina TMD-experiment, lanserade en annan grafenöverraskning en andra 2D-materialrevolution. Pablo Jarillo-Herrero, en forskare vid MIT och en annan Columbia alun, meddelade att vridning av ett lager grafen med avseende på lagret nedan skapade ett magiskt nytt 2D-material. Hemligheten var att släppa det övre lagret så att dess hexagoner landade med en liten "vridning", så att de roterades exakt 1.1 grader mot hexagonerna nedanför. Denna vinkelförskjutning orsakar en förskjutning mellan atomer som växer och krymper när du rör dig över ett material, vilket skapar ett upprepande mönster av stora "superceller" som kallas ett moiré-supergitter. MacDonald och en kollega hade beräknat år 2011 att vid den "magiska vinkeln" på 1.1 grader skulle supergittrets unika kristallstruktur tvinga grafens elektroner att sakta ner och känna avstötningen från sina grannar.
När elektroner blir medvetna om varandra händer konstiga saker. I normala isolatorer, ledare och halvledare tros elektroner endast interagera med atomernas gitter; de springer runt för snabbt för att lägga märke till varandra. Men saktade till en krypning, kan elektroner tränga ihop varandra och kollektivt anta ett urval av exotiska kvanttillstånd. Jarillo-Herreros experiment visade att, för dåligt förstådd skäl, denna elektron-till-elektron-kommunikation i vriden grafen med magisk vinkel ger upphov till en särskilt stark form av supraledning.
Grafenmoiré-supergittret introducerade också forskare till ett radikalt nytt sätt att kontrollera elektroner. I supergittret blir elektroner omedvetna om de enskilda atomerna och upplever supercellerna själva som om de vore jätteatomer. Detta gör det lätt att befolka supercellerna med tillräckligt med elektroner för att bilda kollektiva kvanttillstånd. Genom att använda ett elektriskt fält för att ringa upp eller ner det genomsnittliga antalet elektroner per supercell, kunde Jarillo-Herreros grupp få sin vridna tvålagers grafenenhet att fungera som en supraledare, fungera som en isolator, eller visa en flotta av andra, främmande elektronbeteenden.
Fysiker runt om i världen rusade in i det begynnande området "twistronics". Men många har tyckt att vridning är tufft. Atomer har ingen anledning att prydligt falla in i den "magiska" 1.1-graders felställningen, så ark skrynklas på sätt som helt förändrar deras egenskaper. Xia, Cornell-studenten, sa att hon har ett gäng vänner på andra universitet som arbetar med vridna enheter. Att skapa en fungerande enhet kräver vanligtvis dussintals försök. Och även då beter sig varje enhet annorlunda, så specifika experiment är nästan omöjliga att upprepa.
TMD är ett mycket enklare sätt att skapa moiré-supergitter. Eftersom olika TMD:er har hexagonala gitter av olika storlekar, skapar en stapling av ett gitter med lite större hexagoner över ett mindre galler ett moirémönster precis som vinkelfeljustering gör. I det här fallet, eftersom det inte finns någon rotation mellan lagren, är det mer sannolikt att stapeln snäpper på plats och stannar stilla. När Xia ger sig på att skapa en TMD-moiré-enhet, sa hon, lyckas hon i allmänhet fyra gånger av fem.
TMD-moirématerial är idealiska lekplatser för att utforska elektroninteraktioner. Eftersom materialen är halvledare blir deras elektroner tunga när de slingrar sig igenom materialen, till skillnad från de frenetiska elektronerna i grafen. Och de gigantiska moirécellerna bromsar dem ytterligare: medan elektroner ofta rör sig mellan atomer genom att "tunnla", ett kvantmekaniskt beteende som liknar teleportation, sker tunnling sällan i ett moirégitter, eftersom superceller sitter ungefär 100 gånger längre från varandra än atomerna inuti dem . Avståndet hjälper elektronerna att slå sig ner och ger dem en chans att lära känna sina grannar.
Shan och Maks vänliga rival, Feng Wang, var en av de första som upptäckte potentialen hos TMD moiré-supergitter. Back-of-the-envelope-beräkningar föreslog att dessa material borde ge upphov till ett av de enklaste sätten som elektroner kan organisera - ett tillstånd som kallas en Wigner-kristall, där ömsesidig repulsion låser slöa elektroner på plats. Wangs team såg tecken på sådana tillstånd 2020 och publicerades den första bilden av elektroner som håller varandra på armlängds avstånd in Natur år 2021. Då hade ryktet om Wangs TMD-moiré-aktiviteter redan spridit sig genom den tätt sammansatta 2D-fysikgemenskapen, och Cornell TMD-fabriken höll på att ta fram egna TMD-moiré-enheter. Shan och Mak rapporterade också bevis för Wigner-kristaller i TMD-supergitter 2020 och upptäckte inom några månader att elektroner i deras enheter kunde kristallisera i nästan två dussin olika Wigner-kristallmönster.
Samtidigt gjorde Cornell-gruppen också TMD-moirématerial till ett elverktyg. MacDonald och medarbetare hade förutspått 2018 att dessa enheter har den rätta kombinationen av tekniska egenskaper för att göra dem perfekt representera en av de viktigaste leksaksmodellerna inom den kondenserade materiens fysik. Hubbard-modellen, som den kallas, är ett teoretiserat system som används för att förstå en mängd olika elektronbeteenden. Oberoende föreslagen av Martin Gutzwiller, Junjiro Kanamori och John Hubbard 1963, är modellen fysikernas bästa försök att ta bort den praktiskt taget oändliga variationen av kristallina gitter till deras viktigaste egenskaper. Föreställ dig ett rutnät av atomer som är värd för elektroner. Hubbard-modellen antar att varje elektron känner två konkurrerande krafter: Den vill röra sig genom att tunnla till närliggande atomer, men den stöts också bort av sina grannar, vilket gör att den vill stanna där den är. Olika beteenden uppstår beroende på vilket begär som är starkast. Det enda problemet med Hubbard-modellen är att i alla utom det enklaste fallet - en 1D-sträng av atomer - är den matematiskt olöslig.
Enligt MacDonald och kollegor skulle TMD-moirématerial kunna fungera som "simulatorer" av Hubbard-modellen, och potentiellt lösa några av fältets djupaste mysterier, såsom typen av lim som binder elektroner till supraledande par i kuprater. Istället för att kämpa med en omöjlig ekvation kunde forskare släppa loss elektroner i en TMD-smörgås och se vad de gjorde. "Vi kan skriva ner den här modellen, men det är väldigt svårt att svara på många viktiga frågor," sa MacDonald. "Nu kan vi göra det bara genom att göra ett experiment. Det är verkligen banbrytande.”
För att bygga sin Hubbard-modellsimulator staplade Shan och Mak lager av volframdiselenid och volframsulfid för att skapa ett moiré-supergitter, och de fäste elektroder för att ringa upp eller ner ett elektriskt fält som passerar genom TMD-sandwichen. Det elektriska fältet styrde hur många elektroner som skulle fylla varje supercell. Eftersom cellerna fungerar som gigantiska atomer var att gå från en elektron till två elektroner per supercell som att omvandla ett gitter av väteatomer till ett gitter av heliumatomer. I deras första Hubbard-modellpublikationen in Natur i mars 2020 rapporterade de simulerande atomer med upp till två elektroner; idag kan de gå upp till åtta. I någon mening hade de insett det uråldriga målet att förvandla bly till guld. "Det är som att ställa in kemi," sa Mak, "att gå igenom det periodiska systemet." I princip kan de till och med trolla fram ett rutnät av fiktiva atomer med, säg, 1.38 elektroner vardera.
Därefter tittade gruppen till de konstgjorda atomernas hjärtan. Med fler elektroder kunde de kontrollera supercellernas "potential" genom att göra förändringar som liknar att lägga till positiva protoner i centrum av de gigantiska syntetiska atomerna. Ju mer laddning en kärna har, desto svårare är det för elektroner att tunnla iväg, så det här elektriska fältet låter dem höja och sänka hopptendensen.
Mak och Shans kontroll över de jättelika atomerna – och därför Hubbardmodellen – var fullständig. TMD moiré-systemet låter dem sammankalla ett rutnät av ersatzatomer, även sådana som inte finns i naturen, och smidigt omvandla dem som de vill. Det är en kraft som, även för andra forskare inom området, gränsar till magisk. "Om jag skulle peka ut deras mest spännande och imponerande insats, så är det den", sa Kim.
Cornell-gruppen använde snabbt sina designeratomer för att lösa en 70-årig debatt. Frågan var: Tänk om du kunde ta en isolator och justera dess atomer för att förvandla den till en ledande metall? Skulle övergången ske gradvis eller abrupt?
Med sin moiré-alkemi genomförde Shan och Mak tankeexperimentet i sitt labb. Först simulerade de tunga atomer, som fångade elektroner så att TMD-supergittret fungerade som en isolator. Sedan krympte de atomerna, vilket försvagade fällan tills elektronerna kunde hoppa till frihet, vilket lät supergittret bli en ledande metall. Genom att observera ett gradvis sjunkande elektriskt motstånd när supergittret agerade alltmer som en metall, visade de att övergången inte är abrupt. Detta fynd, som de meddelade in Natur förra året, öppnar möjligheten att supergittrets elektroner kan uppnå en länge eftersökt typ av fluiditet som kallas en quantum spin vätska. "Det kan vara det mest intressanta problemet man kan ta itu med," sa Mak.
Nästan samtidigt fick paret tur till vad vissa fysiker anser vara deras viktigaste upptäckt hittills. "Det var faktiskt en total olycka," sa Mak. "Ingen förväntade sig det."
När de startade sin Hubbard-simulatorforskning använde forskarna TMD-sandwicher där hexagonerna på de två skikten är inriktade, med övergångsmetaller ovanpå övergångsmetaller och kalkogenider ovanpå kalkogenider. (Det var då de upptäckte den gradvisa övergången mellan isolator och metall.) Sedan råkade de plötsligt upprepa experimentet med enheter där det översta lagret hade staplats bakåt.
Som tidigare började motståndet falla när elektronerna började hoppa. Men sedan dök det abrupt och gick så lågt att forskarna undrade om moirén hade börjat supraledning. Utforska vidare, men de mätte ett sällsynt motståndsmönster känd som den kvantanomala Hall-effekten - ett bevis på att något ännu konstigare pågick. Effekten indikerade att enhetens kristallstruktur tvingade elektroner längs kanten av materialet att agera annorlunda än de i mitten. I mitten av enheten var elektroner fångade i ett isolerande tillstånd. Men runt omkretsen flödade de i en riktning - vilket förklarar det superlåga motståndet. Av en slump hade forskarna skapat en extremt ovanlig och ömtålig typ av materia känd som en Chern-isolator.
Den kvantanomala halleffekten, först observerades 2013, brukar falla isär om temperaturen stiger över några hundradelar av en kelvin. 2019 hade Youngs grupp i Santa Barbara sett det en engångssmörgås med snodd grafen runt 5 kelvin. Nu hade Shan och Mak uppnått effekten vid nästan samma temperatur, men i en no-twist TMD-enhet som vem som helst kan återskapa. "Vår var en högre temperatur, men jag tar deras vilken dag som helst eftersom de kan göra det 10 gånger i rad," sa Young. Det betyder att du kan förstå det "och använda det för att faktiskt göra något."
Mak och Shan tror att de, med lite pyssel, kan använda TMD-moiré-material för att bygga Chern-isolatorer som överlever till 50 eller 100 kelvin. Om de lyckas kan arbetet leda till ett annat sätt att få ström att flyta utan motstånd - åtminstone för små "nanotrådar", som de kanske till och med kan slå på och av på specifika platser i en enhet.
Utforskning i Flatland
Även när landmärkeresultaten hopar sig visar paret inga tecken på att sakta ner. Dagen jag besökte såg Mak på hur eleverna pysslade med ett högt spädande kylskåp som skulle låta dem kyla ner sina enheter till temperaturer som är tusen gånger kallare än vad de har arbetat med hittills. Det har funnits så mycket fysik att upptäcka under "varmare" förhållanden att gruppen inte har haft en chans att grundligt söka i det djupare kryogena området efter tecken på supraledning. Om superkylskåpet låter TMD:s supraledning, kommer det att svara på ännu en fråga som visar det en form av magnetism som är inneboende för kuprater (men frånvarande från TMD) är inte en väsentlig ingrediens i det elektronbindande limmet. "Det är som att döda en av de viktiga komponenter som teoretiker verkligen ville döda under en lång tid," sa Mak.
Han och Shan och deras grupp har inte ens börjat experimentera med några av de funkigare TMD:erna. Efter att ha tillbringat åratal med att uppfinna utrustningen som behövs för att röra sig runt kontinenten av 2D-material, rustar de äntligen för att våga sig bortom molydisulfid-strandhuvudet de landade på redan 2010.
De två forskarna tillskriver sin framgång en samarbetskultur som de absorberade i Columbia. Det första samarbetet med Hone som introducerade dem för molydisulfid, säger de, var bara en av de många möjligheter de fick eftersom de var fria att följa sin nyfikenhet. "Vi behövde inte diskutera" deras planer med Heinz, chefen för deras labb, sa Shan. "Vi pratade med folk från andra grupper. Vi gjorde experimenten. Vi slog till och med ihop saker."
Idag främjar de en liknande avslappnad miljö på Cornell, där de övervakar ett par dussin postdoktorer, gästforskare och studenter, som alla i stort sett är fria att göra sin egen grej. "Elever är väldigt smarta och har bra idéer," sa Mak. "Ibland vill man inte blanda sig."
Deras äktenskap gör också deras labb unikt. De två har lärt sig att luta sig in i sina personliga styrkor. Förutom ett överflöd av kreativitet som experimentalist, besitter Shan en noggrann disciplin som gör henne till en bra chef; medan vi tre pratade, knuffade hon ofta "professor Fai" tillbaka på rätt spår när hans entusiasm för fysik drev honom för djupt in i tekniska detaljer. Mak å sin sida tycker om att slita tillsammans med forskarna i den tidiga karriären, både inom och utanför labbet. Han började nyligen klättra med gruppen. "Det verkar som att deras labb är deras familj," sa Young. Shan och Mak berättade för mig att de uppnår mer tillsammans än de kunde ensamma. "Ett plus ett är mer än två," sa Mak.
Enheterna de bygger kan också staplas så att de är mer än summan av deras delar. När forskare slår samman TMD-ark för att skapa excitoner och moiré-supergitter, spekulerar de om hur de nya sätten att domesticera elektroner kan överladda teknologin. Även om fickfärdig supraledning förblir svårfångad, kan Bose-Einstein-kondensat leda till ultrakänsliga kvantsensorer, och bättre kontroll av Chern-liknande isolatorer kan möjliggöra kraftfulla kvantdatorer. Och det är bara de uppenbara idéerna. Inkrementella förbättringar inom materialvetenskap leder ofta till radikala tillämpningar som få såg komma. Forskarna som utvecklade transistorn skulle till exempel ha kämpat för att förutsäga smartphones som drivs av miljarder mikroskopiska strömbrytare instoppade i ett chip som är lika stort som en fingernagel. Och forskarna som strävade efter att skapa glasfibrer som kunde bära ljus över sin labbbänk kunde inte ha förutsett att 10,000 XNUMX kilometer undervattens optiska fibrer en dag skulle länka samman kontinenter. Tvådimensionella material kan utvecklas i liknande oförutsägbara riktningar. "En riktigt ny materialplattform genererar sina egna applikationer i motsats till att ersätta befintliga material," sa Heinz.
Medan de körde mig till Ithaca-busshållplatsen berättade Shan och Mak för mig om en nyligen (och sällsynt) semester de tog till Banff, Kanada, där de återigen visade sin förmåga att snubbla på överraskningar genom en blandning av ansträngning och tur. De hade ägnat dagar åt att – förgäves – försöka upptäcka en björn. Sedan, i slutet av resan, på väg till flygplatsen, stannade de för att sträcka på benen vid ett botaniskt reservat och befann sig ansikte mot ansikte med en svartbjörn.
På samma sätt, med den kondenserade materiens fysik, är deras tillvägagångssätt att vandra runt tillsammans i ett nytt landskap och se vad som dyker upp. "Vi har inte mycket teoretisk vägledning, men vi bara busar och leker med experiment," sa Mak. "Det kan misslyckas, men ibland kan du stöta på något väldigt oväntat."
