โมลิบดีไนต์แม้กับตาที่ผ่านการฝึกฝนแล้ว ก็เกือบจะเหมือนกับกราไฟต์ — คริสตัลสีเงินแวววาว มันทำหน้าที่คล้าย ๆ กันโดยขจัดสะเก็ดในลักษณะที่จะทำให้ไส้ดินสอดี แต่สำหรับอิเล็กตรอน กริดของอะตอมทั้งสองจะสร้างโลกที่แตกต่างกัน ความแตกต่างครั้งแรกเข้าสู่บันทึกทางวิทยาศาสตร์เมื่อ 244 ปีที่แล้ว Carl Scheele นักเคมีชาวสวีเดนที่โด่งดังจากการค้นพบออกซิเจน จุ่มแร่ธาตุแต่ละชนิดลงในกรดต่างๆ และมองดูเมฆก๊าซที่ลอยออกมาเป็นคลื่น Scheele ซึ่งในที่สุดจ่ายเงินสำหรับแนวทางนี้ด้วยชีวิตของเขาซึ่งเสียชีวิตจากพิษโลหะหนักที่น่าสงสัยเมื่ออายุ 43 ปีสรุปว่าโมลิบดีไนต์เป็นสารใหม่ อธิบายไว้ในจดหมายถึงราชบัณฑิตยสถานแห่งสวีเดนในปี ค.ศ. 1778 เขาเขียนว่า “ข้าพเจ้าไม่ได้กล่าวถึงกราไฟต์ที่รู้จักกันทั่วไปในที่นี้ว่าสามารถหาได้จากร้านขายยา โลหะทรานซิชันนี้ดูเหมือนจะไม่เป็นที่รู้จัก”
ด้วยแนวโน้มที่จะสะเก็ดเป็นเศษผง โมลิบดีไนต์จึงกลายเป็นสารหล่อลื่นที่ได้รับความนิยมในศตวรรษที่ 20 มันช่วยให้สกีเหินไปได้ไกลกว่าหิมะ และทำให้กระสุนออกจากถังปืนไรเฟิลในเวียดนามราบรื่นขึ้น
ทุกวันนี้ ความเหลื่อมล้ำแบบเดียวกันนี้ทำให้เกิดการปฏิวัติทางฟิสิกส์
ความก้าวหน้าเริ่มต้นด้วยกราไฟต์และเทปสก๊อต นักวิจัยค้นพบโดยบังเอิญในปี 2004 ว่าพวกเขาสามารถใช้เทปลอกเกล็ดกราไฟท์ที่มีความหนาเพียงอะตอมเดียว แผ่นผลึกเหล่านี้ ซึ่งแต่ละอะตอมของคาร์บอนแบนราบ มีคุณสมบัติที่น่าอัศจรรย์ซึ่งแตกต่างอย่างสิ้นเชิงจากผลึกสามมิติที่พวกมันมาจากพวกมัน Graphene (ตามที่ผู้ค้นพบเรียกมันว่า) เป็นสารประเภทใหม่ทั้งหมด — วัสดุ 2 มิติ การค้นพบนี้ได้เปลี่ยนฟิสิกส์ของสสารควบแน่น ซึ่งเป็นสาขาของฟิสิกส์ที่พยายามทำความเข้าใจรูปแบบและพฤติกรรมต่างๆ ของสสาร เกือบครึ่ง ของนักฟิสิกส์ทุกคนคือนักฟิสิกส์เรื่องย่อ เป็นสาขาย่อยที่นำชิปคอมพิวเตอร์ เลเซอร์ หลอดไฟ LED เครื่อง MRI แผงโซลาร์เซลล์ และสิ่งมหัศจรรย์ทางเทคโนโลยีสมัยใหม่ทุกรูปแบบมาให้เรา หลังจากการค้นพบของกราฟีน นักฟิสิกส์สสารควบแน่นหลายพันคนเริ่มศึกษาวัสดุใหม่ โดยหวังว่าวัสดุดังกล่าวจะสนับสนุนเทคโนโลยีในอนาคต
ผู้ค้นพบของกราฟีนได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 2010 ในปีเดียวกันนั้น นักฟิสิกส์รุ่นเยาว์สองคนที่มหาวิทยาลัยโคลัมเบีย เจียซาน และ กินไฟหมากเห็นสัญญาณว่าสะเก็ดของโมลิบดีไนต์อาจมีมนต์ขลังยิ่งกว่ากราฟีน แร่ธาตุที่ไม่ค่อยมีใครรู้จักมีคุณสมบัติที่ทำให้ยากต่อการศึกษา — ยากเกินไปสำหรับห้องแล็บหลายแห่ง — แต่ทำให้ Shan และ Mak หลงรัก คู่หูที่เหนียวแน่นใช้เวลาเกือบทศวรรษในการทะเลาะวิวาท 2D โมลิบดีไนต์ (หรือโมลิบดีนัมไดซัลไฟด์ ตามที่เรียกว่าคริสตัลที่ปลูกในห้องปฏิบัติการ) และตระกูลของคริสตัล 2 มิติที่เกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิด
ตอนนี้ความพยายามของพวกเขากำลังจะหมดไป Shan และ Mak ซึ่งตอนนี้แต่งงานกันและบริหารกลุ่มวิจัยร่วมกันที่ Cornell University ได้แสดงให้เห็นว่าคริสตัล 2 มิติของโมลิบดีนัมไดซัลไฟด์และญาติของมันสามารถก่อให้เกิดปรากฏการณ์ควอนตัมแปลกใหม่มากมาย “มันเป็นสนามเด็กเล่นที่บ้ามาก” . กล่าว เจมส์ ฮอนนักวิจัยจาก Columbia ซึ่งจัดหาห้องปฏิบัติการ Cornell ด้วยคริสตัลคุณภาพสูง “คุณสามารถทำฟิสิกส์ของสสารควบแน่นสมัยใหม่ทั้งหมดได้ในระบบวัสดุเดียว”
กลุ่มของฉานและหมากจับอิเล็กตรอนที่มีพฤติกรรมอย่างที่ไม่เคยเกิดขึ้นมาก่อนในผลึกแบนเหล่านี้ พวกเขาเกลี้ยกล่อมอนุภาคให้รวมกันเป็นของเหลวควอนตัมและแข็งตัวเป็นโครงสร้างคล้ายน้ำแข็ง พวกเขาได้เรียนรู้ที่จะประกอบกริดของอะตอมเทียมขนาดมหึมาซึ่งขณะนี้ทำหน้าที่เป็นเตียงทดสอบสำหรับทฤษฎีพื้นฐานของสสาร นับตั้งแต่เปิดห้องทดลองที่ Cornell ในปี 2018 ปรมาจารย์ผู้ควบคุมอิเล็กตรอนได้ตีพิมพ์เอกสารแปดฉบับที่น่าจับตามองใน ธรรมชาติวารสารวิทยาศาสตร์ที่มีชื่อเสียงที่สุด รวมทั้งบทความอื่นๆ อีกจำนวนมาก นักทฤษฎีกล่าวว่าทั้งคู่กำลังขยายความเข้าใจในสิ่งที่กลุ่มอิเล็กตรอนมีความสามารถ
งานวิจัยของพวกเขา “น่าประทับใจอย่างยิ่งในหลาย ๆ ด้าน” . กล่าว ฟิลิปคิมนักฟิสิกส์เรื่องย่อที่มหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด “คือจะบอกว่าตื่นเต้น”
การเพิ่มขึ้นของวัสดุ 2 มิติ
คุณสมบัติของวัสดุโดยทั่วไปจะสะท้อนถึงสิ่งที่อิเล็กตรอนทำ ในตัวนำ เช่น โลหะ อิเล็กตรอนจะแล่นไปมาระหว่างอะตอมได้อย่างง่ายดาย โดยเป็นตัวนำไฟฟ้า ในฉนวนอย่างไม้และแก้ว อิเล็กตรอนจะอยู่นิ่ง เซมิคอนดักเตอร์เช่นซิลิกอนตกอยู่ในระหว่าง: อิเล็กตรอนของพวกมันสามารถถูกบังคับให้เคลื่อนที่ด้วยพลังงานที่ไหลเข้ามาทำให้เหมาะสำหรับการเปิดและปิดกระแส - งานของทรานซิสเตอร์ ในช่วง 50 ปีที่ผ่านมา นอกจากพฤติกรรมพื้นฐานทั้งสามของอิเล็กตรอนแล้ว นักฟิสิกส์ของสสารควบแน่นยังพบว่าอนุภาคที่มีประจุน้ำหนักเบามีพฤติกรรมในรูปแบบที่แปลกใหม่อีกมากมาย
ความประหลาดใจที่น่าทึ่งกว่านั้นเกิดขึ้นในปี 1986 เมื่อนักวิจัยของ IBM สองคน ได้แก่ Georg Bednorz และ Alex Müller ตรวจพบ กระแสของอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ผ่านคริสตัลคอปเปอร์ออกไซด์ ("cuprate") โดยไม่มีความต้านทานใดๆ ความเป็นตัวนำยิ่งยวดนี้ — ความสามารถของกระแสไฟฟ้าในการไหลด้วยประสิทธิภาพที่สมบูรณ์แบบ — เคยเห็นมาก่อน แต่ด้วยเหตุผลที่เข้าใจกันดีในวัสดุที่ถูกทำให้เย็นลงภายในไม่กี่องศาของศูนย์สัมบูรณ์ คราวนี้ Bednorz และ Müller ได้สังเกตเห็นรูปแบบลึกลับของปรากฏการณ์ที่ยังคงทำลายสถิติที่ 35 เคลวิน (นั่นคือ 35 องศาเหนือศูนย์สัมบูรณ์) ในไม่ช้านักวิทยาศาสตร์ได้ค้นพบ cuprates อื่น ๆ ที่มีตัวนำยิ่งยวดที่สูงกว่า 100 เคลวิน ความฝันถือกำเนิดขึ้นซึ่งอาจเป็นเป้าหมายอันดับหนึ่งของฟิสิกส์สสารควบแน่นในปัจจุบัน นั่นคือ การค้นหาหรือวิศวกรรมสารที่สามารถนำไฟฟ้ายิ่งยวดในโลกที่ร้อนระอุราว 300 เคลวินของเรา ทำให้เกิดสายไฟแบบไม่สูญเสีย ยานพาหนะที่ลอยได้ และอุปกรณ์ที่มีประสิทธิภาพสูงอื่นๆ ที่ จะลดความต้องการพลังงานของมนุษย์ลงอย่างมาก
กุญแจสู่ความเป็นตัวนำยิ่งยวดคือการเกลี้ยกล่อมอิเล็กตรอน ซึ่งปกติแล้วจะผลักกัน เพื่อจับคู่และสร้างเอนทิตีที่เรียกว่าโบซอน จากนั้นโบซอนสามารถหลอมรวมกันเป็นของเหลวควอนตัมที่ไม่มีการเสียดสี แรงดึงดูดที่สร้างโบซอน เช่น การสั่นของอะตอม โดยปกติแล้วจะสามารถเอาชนะแรงผลักของอิเล็กตรอนได้ที่อุณหภูมิแช่แข็งหรือ แรงกดดันสูง. แต่ความจำเป็นในสภาวะสุดขั้วเหล่านี้ทำให้ตัวนำยิ่งยวดไม่สามารถหาทางเข้าไปในอุปกรณ์ประจำวันได้ การค้นพบ cuprates ทำให้เกิดความหวังว่าโครงข่ายอะตอมที่ถูกต้องสามารถ "กาว" อิเล็กตรอนเข้าด้วยกันอย่างแน่นหนาจนติดอยู่แม้ที่อุณหภูมิห้อง
ผ่านไป 40 ปีหลังจากการค้นพบของ Bednorz และMüller นักทฤษฎียังไม่แน่ใจนักว่ากาวในถ้วยแก้วทำงานอย่างไร และต้องปรับแต่งวัสดุเพื่อเสริมความแข็งแกร่งให้มากขึ้น ดังนั้น การวิจัยจำนวนมากในฟิสิกส์ของสสารควบแน่นจึงเป็นการตามล่าหาคริสตัลแบบลองผิดลองถูกที่สามารถทำให้อิเล็กตรอนจับคู่กันหรือเลี้ยงอิเล็กตรอนด้วยวิธีที่น่าอัศจรรย์อื่นๆ “สสารควบแน่นเป็นสาขาหนึ่งของฟิสิกส์ที่ช่วยให้เกิดความบังเอิญ” คิมกล่าว นั่นคือการค้นพบวัสดุ 2004 มิติในปี 2
Andre Geim และ คอนสแตนติ Novoselov, ทำงานกับกราไฟท์ที่มหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์ในสหราชอาณาจักร, ค้นพบ ผลที่ตามมาที่น่าตกใจจากความไม่สม่ำเสมอของวัสดุ ผลึกกราไฟต์ประกอบด้วยอะตอมของคาร์บอนที่จัดเรียงเป็นแผ่นหกเหลี่ยมหลวมๆ นักทฤษฎีได้ทำนายไว้นานแล้วว่าหากไม่มีอิทธิพลของความเสถียรของสแต็ก การสั่นสะเทือนที่เกิดจากความร้อนจะทำให้แผ่นชั้นเดียวแตก แต่ไกม์และโนโวเซลอฟพบว่าพวกเขาสามารถลอกแผ่นที่บางและเป็นอะตอมที่เสถียรออกได้โดยใช้มากกว่าสก็อตเทปและความคงอยู่เพียงเล็กน้อย กราฟีนเป็นวัสดุที่แบนราบอย่างแท้จริงเป็นชิ้นแรก ซึ่งเป็นระนาบที่อิเล็กตรอนสามารถเลื่อนไปมาได้ แต่ไม่สามารถขึ้นลงได้
Hone นักฟิสิกส์ชาวโคลัมเบียค้นพบว่าวัสดุที่บางที่สุดในโลกนั้นเป็นอย่างไร ยังแข็งแกร่งที่สุด. เป็นเรื่องที่น่าผิดหวังอย่างมากสำหรับเนื้อหาที่นักทฤษฎีคิดว่าจะไม่อยู่ด้วยกันเลย
นักฟิสิกส์ที่น่าสนใจที่สุดเกี่ยวกับกราฟีนคือวิธีที่พื้นที่ราบคาร์บอนเปลี่ยนอิเล็กตรอน: ไม่มีอะไรจะทำให้พวกมันช้าลงได้ อิเล็กตรอนมักจะสะดุดโดยโครงตาข่ายของอะตอมที่พวกมันเคลื่อนที่ผ่าน โดยทำหน้าที่หนักกว่ามวลในตำราเรียน อย่างไรก็ตาม โครงตาข่ายแบนของกราฟีนปล่อยให้อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ด้วยความเร็วหนึ่งล้านเมตรต่อวินาที ซึ่งช้ากว่าความเร็วแสงเพียงไม่กี่ร้อยเท่า ด้วยความเร็วคงที่และพองตัวนั้น อิเล็กตรอนจะบินราวกับว่าพวกมันไม่มีมวลเลย ทำให้กราฟีนมีค่าการนำไฟฟ้าสูงสุด (แต่ไม่ใช่ซุปเปอร์)
ทุ่งทั้งหมดผุดขึ้นรอบวัตถุมหัศจรรย์ นักวิจัยก็เริ่มคิดกว้างขึ้น สะเก็ด 2D ของสารอื่น ๆ สามารถเก็บพลังวิเศษของตัวเองได้หรือไม่? Hone เป็นหนึ่งในผู้ที่แตกแขนงออกไป ในปี 2009 เขาวัดคุณสมบัติทางกลของดอพเพลเกนเจอร์ของกราไฟท์ โมลิบดีนัมไดซัลไฟด์ จากนั้นจึงส่งคริสตัลไปให้ผู้เชี่ยวชาญด้านการมองเห็นสองคนในห้องทดลองของโทนี่ ไฮนซ์ในโคลัมเบีย เป็นการเคลื่อนไหวธรรมดาที่จะเปลี่ยนอาชีพของทุกคนที่เกี่ยวข้อง
ตัวอย่างโมลิบดีนัมไดซัลไฟด์ตกไปอยู่ในมือของ Jie Shan ศาสตราจารย์รับเชิญในช่วงเริ่มต้นอาชีพการงานของเธอ และ Kin Fai Mak นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษา ทั้งคู่กำลังศึกษาว่ากราฟีนมีปฏิกิริยาอย่างไรกับแสง แต่พวกเขาเริ่มฝันกลางวันเกี่ยวกับวัสดุอื่นๆ แล้ว อิเล็กตรอนที่รวดเร็วของกราฟีนทำให้มันเป็นตัวนำที่ยอดเยี่ยม แต่สิ่งที่พวกเขาต้องการคือเซมิคอนดักเตอร์ 2 มิติ ซึ่งเป็นวัสดุที่สามารถเปิดและปิดอิเล็กตรอนไหลได้ ดังนั้นจึงสามารถใช้เป็นทรานซิสเตอร์ได้
โมลิบดีนัมไดซัลไฟด์เป็นที่รู้จักกันว่าเป็นเซมิคอนดักเตอร์ และในไม่ช้าฉานและหมากก็พบว่า เช่นเดียวกับกราไฟต์ พลังเพิ่มเติมในแบบ 2 มิติ เมื่อพวกเขาชี้เลเซอร์บนคริสตัล 3 มิติของ “โมลิบดีนัม” (ตามที่พวกเขาเรียกกันอย่างเสน่หา) คริสตัลยังคงมืด แต่เมื่อฉานและหมากฉีกชั้นด้วยเทปสก๊อตช์ ยิงเลเซอร์ด้วยเลเซอร์ และตรวจดูภายใต้กล้องจุลทรรศน์ พวกเขาเห็นแผ่นงาน 2 มิติที่ส่องแสงเจิดจ้า
การวิจัยจากกลุ่มอื่น ๆ จะยืนยันในภายหลังว่าแผ่นงานที่ทำขึ้นอย่างดีของวัสดุที่เกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดนั้นสะท้อนโฟตอนทุกอันสุดท้ายที่กระทบพวกมัน “นั่นเป็นเรื่องที่เหลือเชื่อ” หมากกล่าวเมื่อเร็วๆ นี้ เมื่อฉันพบเขาและฉานในสำนักงานร่วมกันที่คอร์เนลล์ “คุณมีอะตอมเพียงแผ่นเดียว และสามารถสะท้อนแสงได้ 100% ราวกับกระจกที่สมบูรณ์แบบ” พวกเขาตระหนักว่าคุณสมบัตินี้อาจนำไปสู่อุปกรณ์ออปติคัลที่น่าทึ่ง
อย่างอิสระ เฟิงวังนักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย เบิร์กลีย์ ได้ค้นพบสิ่งเดียวกัน วัสดุ 2D ที่มีการสะท้อนแสงสูงและสารกึ่งตัวนำสำหรับบูตดึงดูดความสนใจของชุมชน ทั้งสอง กลุ่ม ตีพิมพ์ผลการวิจัยของพวกเขาในปี 2010; เอกสารดังกล่าวได้รับการอ้างอิงมากกว่า 16,000 รายการระหว่างพวกเขา "ทุกคนที่มีเลเซอร์เริ่มสนใจวัสดุ 2D มาก" Hone กล่าว
โดยการระบุ moly disulfide เป็นวัสดุ 2D มหัศจรรย์ที่สอง ทั้งสองกลุ่มได้สร้างแผ่นดินขึ้นบนวัสดุ 2D ทั่วทั้งทวีป โมลิบดีนัมซัลไฟด์อยู่ในกลุ่มของสารที่เรียกว่าทรานซิชันเมทัลไดคัลโคเจไนด์ (TMDs) ซึ่งอะตอมจากบริเวณตรงกลางที่เป็นโลหะของตารางธาตุ เช่น โมลิบดีนัมเชื่อมโยงกับคู่ของสารประกอบทางเคมีที่เรียกว่าชาลโคเจไนด์ เช่น กำมะถัน Moly disulfide เป็น TMD ที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติเพียงตัวเดียว แต่มี อีกหลายสิบ ที่นักวิจัยสามารถทำได้ในห้องปฏิบัติการ เช่น ทังสเตน ไดซัลไฟด์ โมลิบดีนัม ไดเทลลูไรด์ และอื่นๆ ส่วนใหญ่เป็นแผ่นกระดาษที่ผูกไว้อย่างอ่อน ทำให้อ่อนไหวต่อด้านธุรกิจของเทป
คลื่นความตื่นเต้นเริ่มต้นในไม่ช้าก็ลดลง ในขณะที่นักวิจัยพยายามดิ้นรนเพื่อให้ TMDs ทำมากกว่าส่องแสง กลุ่มหนึ่งของ Wang ล้มเลิกการใช้กราฟีนหลังจากพบว่าพวกเขาไม่สามารถติดอิเล็กโทรดโลหะเข้ากับโมลิบดีนัมไดซัลไฟด์ได้อย่างง่ายดาย “นั่นเป็นสิ่งกีดขวางสำหรับกลุ่มของเรามาหลายปีแล้ว” เขากล่าว “ตอนนี้เรายังติดต่อกันได้ไม่ค่อยดีนัก” ดูเหมือนว่าข้อได้เปรียบหลักของ TMD เหนือกราฟีนยังเป็นจุดอ่อนที่ใหญ่ที่สุดของพวกเขาด้วย: ในการศึกษาคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ของวัสดุ นักวิจัยมักจะต้องผลักอิเล็กตรอนเข้าไปและวัดความต้านทานของกระแสที่เกิดขึ้น แต่เนื่องจากเซมิคอนดักเตอร์เป็นตัวนำไฟฟ้าที่ไม่ดี จึงยากที่จะรับอิเล็กตรอนเข้าหรือออก
หมากและฉานเริ่มรู้สึกสับสน “มันไม่ชัดเจนว่าเราควรทำงานเกี่ยวกับกราฟีนต่อหรือเริ่มทำงานกับวัสดุใหม่นี้” มากกล่าว “แต่เนื่องจากเราพบว่ามันมีคุณสมบัติที่ดี เราจึงทำการทดลองต่อไปอีกสองสามอย่าง”
ขณะที่พวกเขาทำงาน นักวิจัยทั้งสองก็หลงใหลในโมลิบดีซัลไฟด์และกันและกันมากขึ้นเรื่อยๆ ในขั้นต้น ผู้ติดต่อของพวกเขาเป็นมืออาชีพ โดยจำกัดเฉพาะอีเมลที่เน้นการวิจัยเป็นหลัก “ฝ้ายมักจะถามว่า 'อุปกรณ์ชิ้นนั้นอยู่ที่ไหน? คุณเอามันไว้ที่ไหน'” ฉานกล่าว แต่ในที่สุดความสัมพันธ์ของทั้งคู่ซึ่งบ่มเพาะเป็นเวลานานหลายชั่วโมงและกระตุ้นด้วยความสำเร็จในการทดลอง กลับกลายเป็นความโรแมนติก “เราเพิ่งเจอกันบ่อยเกินไป แท้จริงแล้วอยู่ในห้องทดลองเดียวกันที่ทำงานในโครงการเดียวกัน” มาก กล่าว “โครงการที่ทำงานได้เป็นอย่างดีทำให้เรามีความสุข”
ฟิสิกส์ทั้งหมดตลอดเวลา
ต้องใช้ความร่วมมือระหว่างนักฟิสิกส์ผู้อุทิศตนสองคนที่มีวินัยเหล็กเพื่อนำ TMD ที่ลำบากมาสู่ส้นเท้า
นักวิชาการมาหาฉานอย่างง่ายดายเสมอ เติบโตขึ้นมาในปี 1970 ในจังหวัดชายฝั่งของเจ้อเจียง เธอเป็นนักเรียนดาวเด่น เชี่ยวชาญด้านคณิตศาสตร์ วิทยาศาสตร์ และภาษา และได้ตำแหน่งที่ใฝ่ฝันที่มหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งประเทศจีนในเหอเฟย ที่นั่น เธอมีคุณสมบัติสำหรับโครงการแลกเปลี่ยนวัฒนธรรมคัดเลือกระหว่างจีนและสหภาพโซเวียต และเธอก็ได้รับโอกาสในการเรียนภาษารัสเซียและฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัยแห่งรัฐมอสโก “เมื่อคุณยังเป็นวัยรุ่น คุณกระตือรือร้นที่จะสำรวจโลก” เธอกล่าว “ฉันไม่ได้ลังเล”
ทันทีที่เธอเห็นโลกมากกว่าที่เธอต่อรอง ปัญหาเกี่ยวกับวีซ่าทำให้การมาถึงรัสเซียของเธอล่าช้าไปสองสามเดือน และเธอเสียที่นั่งในโปรแกรมภาษา เจ้าหน้าที่พบอีกเส้นทางหนึ่งของเธอ และไม่นานหลังจากลงจอดในมอสโก เธอขึ้นรถไฟและเดินทางไปทางตะวันออก 5,000 กิโลเมตร สามวันต่อมาเธอมาถึงเมืองอีร์คุตสค์ในตอนกลางของไซบีเรียเมื่อเริ่มต้นฤดูหนาว “คำแนะนำที่ฉันได้รับคือ 'อย่าแตะต้องสิ่งใดโดยไม่สวมถุงมือ'” เพื่อไม่ให้เธอติดอยู่ เธอกล่าว
ฉานสวมถุงมือ เรียนภาษารัสเซียในเทอมเดียว และมาชื่นชมความงามของภูมิประเทศที่หนาวเหน็บ เมื่อจบหลักสูตรและหิมะละลาย เธอเดินทางกลับเมืองหลวงเพื่อเริ่มต้นปริญญาฟิสิกส์ โดยมาถึงมอสโคว์ในฤดูใบไม้ผลิปี 1990 ท่ามกลางการล่มสลายของสหภาพโซเวียต
นั่นเป็นปีที่วุ่นวาย ฉานเห็นรถถังวิ่งไปตามถนนใกล้มหาวิทยาลัยขณะที่คอมมิวนิสต์พยายามยึดอำนาจรัฐบาลกลับคืนมา อีกครั้งหนึ่ง หลังจากการสอบปลายภาค การต่อสู้ก็ปะทุขึ้น “เราได้ยินเสียงปืน และเราได้รับคำสั่งให้ปิดไฟในหอพัก” เธอกล่าว ทุกอย่างตั้งแต่อาหารไปจนถึงกระดาษชำระถูกปันส่วนผ่านระบบคูปอง อย่างไรก็ตาม ฉานรู้สึกได้รับแรงบันดาลใจจากความยืดหยุ่นของอาจารย์ที่ยังคงค้นคว้าต่อไปแม้จะมีความวุ่นวาย “เงื่อนไขนั้นยาก แต่นักวิทยาศาสตร์หลายคนมีทัศนคติแบบนี้ พวกเขารักในสิ่งที่พวกเขาทำอย่างแท้จริง แม้จะเกิดอะไรขึ้นก็ตาม” เธอกล่าว
เมื่อระเบียบโลกล่มสลาย Shan ได้สร้างชื่อเสียงให้กับตัวเองโดยตีพิมพ์บทความเกี่ยวกับทัศนศาสตร์ที่ดึงดูดสายตาของ Heinz ที่โคลัมเบีย เขาสนับสนุนให้เธอสมัคร และเธอก็ย้ายไปนิวยอร์ก ซึ่งบางครั้งเธอก็ช่วยนักเรียนต่างชาติคนอื่นๆ ให้ก้าวไปต่างประเทศ ตัวอย่างเช่น เธอจ้าง Wang ให้ทำงานในห้องทดลองของ Heinz และแบ่งปันเคล็ดลับการทดลอง “เธอสอนให้ฉันรู้จักอดทน” เขากล่าว และ “ทำอย่างไรไม่ให้หงุดหงิดกับเลเซอร์”
นักวิจัยส่วนใหญ่รับตำแหน่งหลังปริญญาเอกหลังจากได้รับปริญญาเอก แต่ Shan เข้าร่วมกับ Case Western Reserve University โดยตรงในตำแหน่งรองศาสตราจารย์ในปี 2001 หลายปีต่อมา ในวันหยุด เธอกลับมาที่ห้องทดลองของไฮนซ์ที่โคลัมเบีย ครั้งหนึ่ง เวลาของเธอเป็นเรื่องบังเอิญ เธอเริ่มร่วมงานกับ Kin Fai Mak นักศึกษาปริญญาโทที่มีเสน่ห์และหน้าตาสดใส
หมากเดินตามเส้นทางที่ต่างออกไปและวุ่นวายน้อยกว่าไปยังมหานครนิวยอร์ก เติบโตขึ้นมาในฮ่องกง เขามีปัญหาในโรงเรียน นอกจากวิชาฟิสิกส์ที่เข้าใจเขาแล้ว “มันเป็นสิ่งเดียวที่ฉันชอบและเก่งจริงๆ ดังนั้นฉันจึงเลือกวิชาฟิสิกส์” เขากล่าว
งานวิจัยระดับปริญญาตรีของเขาที่มหาวิทยาลัยฮ่องกงโดดเด่น และไฮนซ์คัดเลือกเขาให้เข้าร่วมโครงการฟิสิกส์เรื่องควบแน่นของโคลัมเบียที่กำลังเฟื่องฟู ที่นั่น เขาทุ่มเทให้กับการค้นคว้า โดยใช้เวลาเกือบทั้งหมดในการตื่นนอนในห้องแล็บ ยกเว้นเกมฟุตบอลภายในเป็นครั้งคราว Andrea Young นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษา (ปัจจุบันเป็นผู้ช่วยศาสตราจารย์ที่ University of California, Santa Barbara) แชร์อพาร์ตเมนต์กับ Mak บนถนน West 113th “ฉันโชคดีถ้าได้จับเขาตอน 2 โมงเช้าเพื่อทำพาสต้าและพูดคุยเกี่ยวกับฟิสิกส์ มันเป็นฟิสิกส์ตลอดเวลา” Young กล่าว
แต่ช่วงเวลาดีๆ ก็ไม่ยั่งยืน ไม่นานหลังจากการเที่ยวชมป่าฝนอเมซอนในโคลอมเบียกับยัง หมากก็ล้มป่วย แพทย์ของเขาไม่แน่ใจว่าจะทำอย่างไรกับผลการทดสอบที่น่าสงสัยของเขา และเขาก็ป่วยมากขึ้น ความบังเอิญที่โชคดีช่วยชีวิตเขาไว้ Young อธิบายสถานการณ์นี้ให้พ่อของเขาฟัง นักวิจัยทางการแพทย์ ซึ่งจำสัญญาณของโรคโลหิตจางจากเม็ดเลือดขาวได้ทันที ซึ่งเป็นภาวะเลือดผิดปกติที่เกิดขึ้นกับการวิจัยของเขาเอง “ที่จริงมันหายากมากที่จะเป็นโรคนี้ ก่อนอื่นเลย” หมากกล่าว “และยิ่งหายากกว่าที่จะเป็นโรคที่พ่อของเพื่อนร่วมห้องของคุณเป็นผู้เชี่ยวชาญ”
พ่อของยังช่วยหมากลงทะเบียนทดลองการรักษา เขาใช้เวลาส่วนใหญ่ในการเรียนระดับบัณฑิตศึกษาในโรงพยาบาลในปีสุดท้ายและเกือบเสียชีวิตหลายครั้ง ตลอดการทดสอบ ความหลงใหลในวิชาฟิสิกส์ของ Mak ทำให้เขาต้องทำงานต่อไป “เขากำลังเขียน PRL จดหมายจากเตียงในโรงพยาบาลของเขา” Young กล่าวอ้างถึงวารสาร จดหมายทางกายภาพความคิดเห็น. Heinz กล่าวว่า "ถึงแม้ทั้งหมดนี้ เขาก็เป็นหนึ่งในนักเรียนที่มีประสิทธิผลมากที่สุด" “มันเป็นเรื่องมหัศจรรย์”
การรักษาเพิ่มเติมในที่สุดช่วยให้หมากฟื้นตัวเต็มที่ หนุ่ม ตัวเองเป็นนักทดลองที่มีชื่อเสียง ต่อมาก็พูดถึงการแทรกแซงของเขาว่า “ในหมู่เพื่อน ๆ ฉันเรียกสิ่งนี้ว่าการมีส่วนร่วมที่ยิ่งใหญ่ที่สุดในวิชาฟิสิกส์ของฉัน”
สู่ถิ่นทุรกันดาร 2 มิติ
หมากย้ายไปคอร์เนลในฐานะนักวิจัยดุษฎีบัณฑิตในปี 2012 โดยที่ Shan ได้กลับมาที่ Case Western แล้ว พวกเขาดำเนินการตามโครงการแต่ละโครงการด้วยกราฟีนและวัสดุอื่นๆ แต่พวกเขาก็ยังคงไขความลับเพิ่มเติมของ TMD ร่วมกันต่อไป
ที่ Cornell หมากได้เรียนรู้ศิลปะการวัดการขนส่งอิเล็กตรอน ซึ่งเป็นอีกวิธีหลักในการทำนายการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน นอกเหนือจากทัศนศาสตร์ ความเชี่ยวชาญนี้ทำให้เขาและฉานกลายเป็นภัยคุกคามสองเท่าในสาขาที่นักวิจัยมักเชี่ยวชาญในด้านใดรูปแบบหนึ่ง “เมื่อไหร่ก็ตามที่ฉันได้พบกับไฟและเจี๋ย ฉันจะบ่นว่า 'มันไม่ยุติธรรมที่พวกคุณต้องเดินทาง'” คิมกล่าว "ฉันควรจะทำอย่างไร?"
ยิ่งทั้งคู่เรียนรู้เกี่ยวกับ TMD มากเท่าไหร่ พวกเขาก็ยิ่งน่าสนใจมากขึ้นเท่านั้น นักวิจัยมักมุ่งเน้นไปที่คุณสมบัติของอิเล็กตรอนอย่างใดอย่างหนึ่ง: ประจุและการหมุน (หรือโมเมนตัมเชิงมุมที่แท้จริง) การควบคุมการไหลของประจุไฟฟ้าเป็นพื้นฐานของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ และการพลิกหมุนของอิเล็กตรอนอาจนำไปสู่อุปกรณ์ "สปินทรอนิกส์" ที่บรรจุข้อมูลเพิ่มเติมลงในช่องว่างขนาดเล็ก ในปี 2014 หมากช่วยค้นพบ ว่าอิเล็กตรอนในโมลิบดีนัม 2 มิติสามารถได้รับคุณสมบัติพิเศษที่สาม: อิเล็กตรอนเหล่านี้ต้องเคลื่อนที่ด้วยโมเมนตัมในปริมาณที่กำหนด ซึ่งเป็นคุณลักษณะที่ควบคุมได้ซึ่งเรียกว่า "หุบเขา" ซึ่งนักวิจัยคาดการณ์ว่าอาจวางไข่เป็นสนามที่สามของเทคโนโลยี "valleytronics"
ในปีเดียวกันนั้นเอง หมากและฉานได้ระบุลักษณะเด่นอีกอย่างหนึ่งของ TMDs อิเล็กตรอนไม่ได้เป็นเพียงสิ่งเดียวที่เคลื่อนที่ผ่านผลึก นักฟิสิกส์ยังติดตาม "หลุม" ตำแหน่งว่างที่สร้างขึ้นเมื่ออิเล็กตรอนกระโดดไปที่อื่น รูเหล่านี้สามารถท่องไปในวัสดุได้เหมือนอนุภาคที่มีประจุบวกจริงๆ หลุมบวกดึงดูดอิเล็กตรอนเชิงลบเพื่อสร้างหุ้นส่วนที่หายวับไปที่เรียกว่า exciton ในช่วงเวลาก่อนที่อิเล็กตรอนจะเสียบรู ฉานและหมาก วัดแรงดึงดูด ระหว่างอิเล็กตรอนและรูใน 2D tungsten diselenide และพบว่ามีความแข็งแรงกว่าสารกึ่งตัวนำ 3 มิติทั่วไปหลายร้อยเท่า การค้นพบนี้บอกเป็นนัยว่า excitons ใน TMDs อาจแข็งแกร่งเป็นพิเศษ และโดยทั่วไปอิเล็กตรอนมักจะทำสิ่งแปลก ๆ ทุกประเภท
ทั้งคู่ได้ตำแหน่งร่วมกันที่มหาวิทยาลัยแห่งรัฐเพนซิลวาเนียและเริ่มทดลองที่นั่น ในที่สุดเชื่อว่า TMD นั้นคุ้มค่าที่จะเดิมพันในอาชีพการงาน พวกเขาทำให้เนื้อหาเป็นจุดสนใจของกลุ่มใหม่ พวกเขายังแต่งงานกัน
ในขณะเดียวกัน ทีมของ Hone ที่ Columbia เห็นว่าคุณสมบัติของกราฟีนนั้นรุนแรงยิ่งขึ้นไปอีกเมื่อวางทับบนฉนวนโบรอนไนไตรด์คุณภาพสูง นี่เป็นตัวอย่างแรกๆ ของหนึ่งในแง่มุมที่แปลกใหม่ที่สุดของวัสดุ 2 มิติ นั่นคือ ความสามารถในการวางซ้อนกันได้
วางวัสดุ 2D ไว้บนอีกวัสดุหนึ่ง แล้วชั้นจะห่างกันเพียงเศษเสี้ยวนาโนเมตร - ไม่มีระยะห่างจากมุมมองของอิเล็กตรอนเลย ส่งผลให้แผ่นที่ซ้อนกันรวมกันเป็นหนึ่งสารได้อย่างมีประสิทธิภาพ "ไม่ใช่แค่สองวัสดุเท่านั้น" หวางกล่าว “คุณสร้างวัสดุใหม่จริงๆ”
ในขณะที่กราฟีนประกอบด้วยอะตอมของคาร์บอนเท่านั้น กลุ่ม TMD แลตทิซอันหลากหลายได้นำองค์ประกอบเพิ่มเติมมากมายมาสู่เกมการเรียงซ้อน TMD แต่ละตัวมีความสามารถที่แท้จริงของตัวเอง บางส่วนเป็นแม่เหล็ก ตัวนำยิ่งยวดอื่น ๆ นักวิจัยตั้งตารอที่จะผสมและจับคู่กับวัสดุแฟชั่นด้วยพลังที่รวมกัน
แต่เมื่อกลุ่มของ Hone วางโมลี่ไดซัลไฟด์บนฉนวน คุณสมบัติของสแต็กแสดงการเพิ่มขึ้นที่ไม่สดใสเมื่อเทียบกับสิ่งที่พวกเขาเห็นในกราฟีน ในที่สุดพวกเขาก็ตระหนักว่าพวกเขาไม่ได้ตรวจสอบคุณภาพของผลึก TMD เมื่อพวกเขามีเพื่อนร่วมงานบางคนติดโมลิบไดซัลไฟด์ไว้ใต้กล้องจุลทรรศน์ที่สามารถแยกอะตอมแต่ละตัวได้ พวกเขาก็ตกตะลึง อะตอมบางตัวนั่งผิดที่ ในขณะที่บางอะตอมหายไปอย่างสิ้นเชิง ไซต์ขัดแตะมากถึง 1 ใน 100 แห่งมีปัญหาบางอย่างซึ่งขัดขวางความสามารถของตาข่ายในการควบคุมอิเล็กตรอน กราฟีนเปรียบเสมือนภาพของความสมบูรณ์แบบ โดยมีข้อบกพร่องประมาณหนึ่งจุดต่อหนึ่งล้านอะตอม “ในที่สุดเราก็รู้ว่าของที่เราซื้อมานั้นเป็นขยะทั้งหมด” Hone กล่าว
ประมาณปี 2016 เขาตัดสินใจเข้าสู่ธุรกิจการปลูก TMD ระดับการวิจัย เขารับสมัคร postdoc, แดเนียล โรดส์ด้วยประสบการณ์ในการปลูกผลึกด้วยการหลอมผงของวัตถุดิบที่อุณหภูมิสูงมากๆ แล้วทำให้เย็นลงอย่างรวดเร็ว "มันเหมือนกับการปลูกลูกอมจากน้ำตาลในน้ำ" Hone อธิบาย กระบวนการใหม่นี้ใช้เวลาหนึ่งเดือน เมื่อเทียบกับวิธีการเชิงพาณิชย์สองสามวัน แต่มันผลิตผลึก TMD ได้ดีกว่าคริสตัลที่ขายในแคตตาล็อกเคมีหลายร้อยถึงหลายพันเท่า
ก่อนที่ Shan และ Mak จะใช้ประโยชน์จากผลึกที่บริสุทธิ์ของ Hone มากขึ้น พวกเขาต้องเผชิญกับภารกิจที่ไร้ความปราณีในการหาวิธีทำงานกับสะเก็ดขนาดเล็กที่ไม่ชอบรับอิเล็กตรอน ในการปั๊มอิเล็กตรอน (พื้นฐานของเทคนิคการขนส่งที่ Mak หยิบขึ้นมาเป็น postdoc) ทั้งคู่หมกมุ่นอยู่กับรายละเอียดมากมาย: โลหะชนิดใดที่จะใช้สำหรับอิเล็กโทรด, ระยะห่างจาก TMD ที่จะวาง, แม้แต่สารเคมีที่ต้อง ใช้ทำความสะอาดหน้าสัมผัส การลองใช้วิธีที่ไม่มีที่สิ้นสุดในการตั้งค่าอิเล็กโทรดนั้นช้าและลำบาก — “กระบวนการที่ต้องใช้เวลามากในการปรับแต่งหรือปรับแต่งทีละน้อย” Mak กล่าว
พวกเขายังใช้เวลาหลายปีในการหาวิธียกและวางสะเก็ดด้วยกล้องจุลทรรศน์ ซึ่งวัดได้เพียงหนึ่งในสิบของล้านของหนึ่งเมตร ด้วยความสามารถนี้ บวกกับคริสตัลของ Hone และหน้าสัมผัสทางไฟฟ้าที่ได้รับการปรับปรุง ทุกอย่างมารวมกันในปี 2018 ทั้งคู่ย้ายไปที่ Ithaca ในนิวยอร์ก เพื่อรับตำแหน่งใหม่ที่ Cornell และผลลัพธ์ของการบุกเบิกก็หลั่งไหลออกมาจากห้องแล็บของพวกเขา
ความก้าวหน้าที่ Cornell
Zhengchao Xia นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาในกลุ่มของ Mak และ Shan กล่าวว่า "ทุกวันนี้ ยากที่จะหยิบจับทุกสิ่งได้ด้วยเหตุผลบางประการ ขณะที่เงาดำมืดของเกล็ดโบรอนไนไตรด์ขู่ว่าจะลอกออกและตกลงมาที่พื้นผิวซิลิกอนด้านล่าง แผ่นรูปมาดากัสการ์เกาะติดกับกราไฟต์ก้อนใหญ่ที่คล้ายกับซาอุดิอาระเบียอย่างอ่อนแรง มากเท่ากับกระดาษอาจเกาะติดกับพื้นผิวที่แตกร้าวของบอลลูนที่เพิ่งถูไปมา ในทางกลับกันกราไฟต์ก็ติดอยู่กับพลาสติกที่เหนียวเหนอะหนะติดอยู่กับสไลด์แก้ว Xia ใช้อินเทอร์เฟซของคอมพิวเตอร์เพื่อควบคุมขาตั้งแบบใช้มอเตอร์เพื่อจับสไลด์ เช่นเดียวกับนักเล่นเกมอาเขตที่อาจใช้เครื่องกรงเล็บด้วยจอยสติ๊ก เธอค่อยๆ ยกกองขึ้นไปในอากาศด้วยอัตราหนึ่งในห้าของล้านของเมตรต่อการคลิกเมาส์หนึ่งครั้ง จ้องไปที่จอคอมพิวเตอร์อย่างตั้งใจเพื่อดูว่าเธอมี จับเกล็ดโบรอนไนไตรด์ได้สำเร็จ
เธอมี. ด้วยการคลิกเพียงไม่กี่ครั้ง สแต็คสองชั้นก็เป็นอิสระ และ Xia ก็เคลื่อนไหวอย่างรวดเร็วแต่จงใจที่จะวางสะเก็ดลงบนวัสดุที่สามที่ฝังด้วยอิเล็กโทรดโลหะที่แผ่กิ่งก้านสาขา เพียงไม่กี่คลิกเธอก็อุ่นพื้นผิว ละลายกาวพลาสติกของสไลด์ก่อนที่เราจะจามอุปกรณ์ไมโครสโคปออกไป
“ฉันมักฝันร้ายที่มันจะหายไป” เธอกล่าว
ตั้งแต่ต้นจนจบ Xia ใช้เวลามากกว่าหนึ่งชั่วโมงเพื่อประกอบครึ่งล่างของอุปกรณ์ง่ายๆ ซึ่งเทียบเท่ากับ PB&J แบบเปิดหน้า เธอแสดงให้ฉันเห็นอีกกองหนึ่งที่เธอเพิ่งรวบรวมและเขย่าส่วนผสมบางอย่าง ซึ่งรวมถึง TMDs ทังสเตน diselenide และ moly ditelluride หนึ่งในแซนวิชขนาดเล็กหลายสิบชิ้นที่เธอสร้างและศึกษาในปีที่ผ่านมา อุปกรณ์ Dagwood นี้มีมากถึง 10 ชั้นและใช้เวลาหลายชั่วโมงในการประกอบ
การซ้อนวัสดุ 2 มิติ ซึ่งทำในห้องปฏิบัติการที่โคลัมเบีย สถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ เบิร์กลีย์ ฮาร์วาร์ด และสถาบันอื่นๆ เช่นกัน แสดงถึงการบรรลุถึงความฝันอันยาวนานของนักฟิสิกส์เรื่องย่อ นักวิจัยไม่ได้จำกัดเฉพาะวัสดุที่พบในพื้นดินหรือเติบโตอย่างช้าๆ ในห้องแล็บอีกต่อไป ตอนนี้พวกเขาสามารถเล่นกับอิฐเลโก้ที่เทียบเท่าอะตอมแล้วนำแผ่นมารวมกันเพื่อสร้างโครงสร้างตามความต้องการด้วยคุณสมบัติที่ต้องการ เมื่อพูดถึงการประกอบโครงสร้าง TMD มีเพียงไม่กี่คนที่ไปถึงกลุ่ม Cornell
การค้นพบครั้งสำคัญครั้งแรกของ Mak และ Shan ที่ Cornell เกี่ยวข้องกับ excitons ซึ่งเป็นคู่อิเล็กตรอนที่มีพันธะอย่างแน่นหนาที่พวกเขาเคยเห็นใน TMDs ย้อนกลับไปในปี 2014 นักฟิสิกส์ Exciton วางอุบายเพราะสิ่งเหล่านี้ “quasiparticles” อาจเสนอทางอ้อมเพื่อให้บรรลุเป้าหมายยืนต้นของฟิสิกส์ของสสารควบแน่น: ตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิห้อง
Excitons เล่นตามกฎขี้ขลาดเช่นเดียวกับคู่อิเล็กตรอน - อิเล็กตรอน คู่รูอิเล็กตรอนเหล่านี้ก็กลายเป็นโบซอนเช่นกัน ซึ่งทำให้พวกมัน "รวมตัว" ลงในสถานะควอนตัมที่ใช้ร่วมกันที่เรียกว่าคอนเดนเสทของโบส-ไอน์สไตน์ กลุ่มควอซิพิเคิลที่เชื่อมโยงกันนี้สามารถแสดงลักษณะควอนตัม เช่น ของไหลยิ่งยวด ความสามารถในการไหลโดยไม่มีการต้านทาน (เมื่อซุปเปอร์ฟลูอิดนำกระแสไฟฟ้า ตัวนำยิ่งยวด)
แต่ต่างจากอิเล็กตรอนที่น่ารังเกียจ อิเล็กตรอนและรูจะชอบจับคู่กัน นักวิจัยกล่าวว่าสิ่งนี้อาจทำให้กาวของพวกเขาแข็งแรงขึ้น ความท้าทายในการเป็นตัวนำยิ่งยวดตาม exciton อยู่ที่การป้องกันไม่ให้อิเล็กตรอนเข้าไปเติมเต็มรู และทำให้คู่ที่เป็นกลางทางไฟฟ้าไหลในกระแส - ทั้งหมดนี้อยู่ในห้องที่อบอุ่นที่สุด จนถึงตอนนี้ หมากและฉานได้แก้ไขปัญหาแรกและมีแผนจะจัดการกับปัญหาที่สอง
เมฆของอะตอมสามารถเกลี้ยกล่อมให้กลายเป็นคอนเดนเสทได้โดยการทำให้เย็นจนเป็นผมเหนือศูนย์สัมบูรณ์ด้วยเลเซอร์อันทรงพลัง แต่นักทฤษฎีสงสัยมานานแล้วว่าคอนเดนเสทของ exciton อาจก่อตัวที่อุณหภูมิสูงขึ้น กลุ่ม Cornell ทำให้แนวคิดนี้เป็นจริงด้วย TMD แบบวางซ้อนกันได้ โดยใช้แซนวิชสองชั้น พวกเขาใส่อิเล็กตรอนพิเศษในชั้นบนสุด และเอาอิเล็กตรอนออกจากด้านล่าง ปล่อยให้รู อิเล็กตรอนและรูจับคู่กัน ทำให้ exciton มีอายุยืนยาวเพราะอิเล็กตรอนมีปัญหาในการกระโดดไปยังชั้นตรงข้ามเพื่อทำให้คู่ของตนเป็นกลาง ในเดือนตุลาคม 2019 ทางกลุ่ม รายงานสัญญาณ ของคอนเดนเสท exciton ที่มีอุณหภูมิ 100 เคลวิน ในการตั้งค่านี้ excitons จะคงอยู่เป็นเวลาหลายสิบนาโนวินาที ซึ่งเป็นช่วงอายุของอนุภาคควอซิปเปอร์ประเภทนี้ ในฤดูใบไม้ร่วงปี 2021กลุ่มอธิบายเครื่องมือที่ได้รับการปรับปรุงซึ่ง excitons ดูเหมือนจะใช้เวลาเป็นมิลลิวินาทีซึ่ง Mak เรียกว่า "ในทางปฏิบัติตลอดไป"
ตอนนี้ทีมงานกำลังติดตาม โครงการ ปรุงโดยนักทฤษฎีในปี 2008 เพื่อสร้างกระแส exciton อัลลัน แมคโดนัลด์นักทฤษฎีสสารควบแน่นที่มีชื่อเสียงจากมหาวิทยาลัยเท็กซัส ออสติน และนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาของเขา Jung-Jung Su เสนอให้ excitons เป็นกลางโดยการใช้สนามไฟฟ้าในลักษณะที่กระตุ้นให้อิเล็กตรอนและรูทั้งสองเคลื่อนที่ไปในทิศทางเดียวกัน ในการดึงมันออกจากห้องแล็บ กลุ่มคอร์เนลต้องต่อสู้กับศัตรูที่ยืนต้นอีกครั้ง นั่นคือหน้าสัมผัสทางไฟฟ้า ในกรณีนี้ พวกเขาต้องแนบอิเล็กโทรดหลายชุดเข้ากับเลเยอร์ TMD บางชุดเพื่อผลิต exciton และบางชุดเพื่อเคลื่อนย้าย
ฉานและหมากเชื่อว่าพวกเขากำลังอยู่ในทางที่จะได้รับการกระตุ้นที่สูงถึง 100 เคลวินในเร็วๆ นี้ นั่นเป็นห้องที่เย็นยะเยือกสำหรับบุคคล (-173 องศาเซลเซียสหรือ -280 องศาฟาเรนไฮต์) แต่เป็นการก้าวกระโดดครั้งใหญ่จากสภาวะนาโนเคลวินที่คอนเดนเสทโบโซนิกส่วนใหญ่ต้องการ
“นั่นจะเป็นความสำเร็จที่ดีด้วยตัวของมันเอง” หมากกล่าวด้วยรอยยิ้มเจ้าเล่ห์ “เพื่อทำให้อุณหภูมิอุ่นขึ้นเป็นพันล้านครั้ง”
วัสดุมอยเรวิเศษ
ในปี 2018 ในขณะที่ห้องทดลองของ Cornell ได้เพิ่มการทดลอง TMD ของพวกเขา กราฟีนเซอร์ไพรส์อีกตัวก็เปิดตัวการปฏิวัติวัสดุ 2D ครั้งที่สอง ปาโบล จาริลโล-เอร์เรโรนักวิจัยจาก MIT และสารส้มอีกรายของ Columbia ประกาศว่าการบิดกราฟีนหนึ่งชั้นเทียบกับเลเยอร์ด้านล่างทำให้เกิดวัสดุ 2D ใหม่ที่น่าอัศจรรย์ ความลับคือต้องวางชั้นบนลงเพื่อให้รูปหกเหลี่ยมตกลงด้วยการ "บิด" เล็กน้อยเพื่อให้หมุนได้ 1.1 องศากับรูปหกเหลี่ยมด้านล่าง การจัดแนวมุมไม่ตรงทำให้เกิดการชดเชยระหว่างอะตอมที่ขยายและหดตัวเมื่อคุณเคลื่อนที่ผ่านวัสดุ ทำให้เกิด "supercells" ขนาดใหญ่ที่เรียกว่า moiré superlattice MacDonald และเพื่อนร่วมงานมี คำนวณในปี 2011 ที่ "มุมมหัศจรรย์" ที่ 1.1 องศา โครงสร้างผลึกที่เป็นเอกลักษณ์ของ superlattice จะบังคับอิเล็กตรอนของกราฟีนให้ช้าลงและสัมผัสได้ถึงแรงผลักของเพื่อนบ้าน
เมื่ออิเล็กตรอนรับรู้ซึ่งกันและกัน สิ่งแปลกประหลาดก็เกิดขึ้น ในฉนวน ตัวนำ และเซมิคอนดักเตอร์ทั่วไป คิดว่าอิเล็กตรอนจะมีปฏิสัมพันธ์กับโครงตาข่ายของอะตอมเท่านั้น พวกเขาวิ่งไปรอบ ๆ เร็วเกินไปที่จะสังเกตเห็นกัน แต่เมื่อช้าลงจนคลาน อิเล็กตรอนสามารถกระแทกซึ่งกันและกันและรวมเอาสถานะควอนตัมที่แปลกใหม่มารวมกัน การทดลองของ Jarillo-Herrero แสดงให้เห็นว่าสำหรับ เข้าใจได้ไม่ดี เหตุผลนี้ การสื่อสารระหว่างอิเล็กตรอนกับอิเล็กตรอนในกราฟีนมุมมนตร์บิดเบี้ยวทำให้เกิด an ตัวนำยิ่งยวดที่แข็งแกร่งเป็นพิเศษ.
graphene moiré superlattice ยังแนะนำนักวิจัยให้รู้จักวิธีใหม่ในการควบคุมอิเล็กตรอน ใน superlattice อิเล็กตรอนจะลืมอะตอมแต่ละตัวและสัมผัสกับ supercells ด้วยตัวเองราวกับว่าเป็นอะตอมขนาดยักษ์ ทำให้ง่ายต่อการเติม supercells ที่มีอิเล็กตรอนเพียงพอเพื่อสร้างสถานะควอนตัมรวม การใช้สนามไฟฟ้าเพื่อหมุนขึ้นหรือลงจำนวนอิเล็กตรอนเฉลี่ยต่อซูเปอร์เซลล์ กลุ่มของ Jarillo-Herrero สามารถทำให้อุปกรณ์กราฟีน bilayer บิดเบี้ยวทำหน้าที่เป็นตัวนำยิ่งยวดทำหน้าที่เป็น ฉนวน, หรือแสดง a แพของผู้อื่น, พฤติกรรมอิเล็กตรอนของคนแปลกหน้า.
นักฟิสิกส์ทั่วโลกต่างรีบเร่งเข้าสู่สนามตั้งไข่ของ "twistronics" แต่หลายคนพบว่าการบิดนั้นยาก อะตอมไม่มีเหตุผลที่จะตกลงไปอย่างเรียบร้อยใน "ความมหัศจรรย์" 1.1 องศาที่ผิดแนว ดังนั้นแผ่นงานจึงยับในลักษณะที่เปลี่ยนคุณสมบัติของมันโดยสิ้นเชิง Xia นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาของ Cornell กล่าวว่าเธอมีเพื่อนกลุ่มหนึ่งที่มหาวิทยาลัยอื่นๆ ที่ทำงานเกี่ยวกับอุปกรณ์บิดเบี้ยว โดยทั่วไปแล้ว การสร้างอุปกรณ์ที่ใช้งานได้จะใช้เวลาหลายสิบครั้ง และถึงกระนั้น อุปกรณ์แต่ละชิ้นก็มีพฤติกรรมแตกต่างกัน การทดลองเฉพาะเจาะจงแทบจะเป็นไปไม่ได้เลยที่จะทำซ้ำ
TMDs นำเสนอวิธีที่ง่ายกว่ามากในการสร้าง moiré superlattices เนื่องจาก TMD ที่ต่างกันมีโครงตาข่ายหกเหลี่ยมที่มีขนาดต่างกัน การซ้อนโครงตาข่ายของรูปหกเหลี่ยมที่ใหญ่กว่าเล็กน้อยบนโครงตาข่ายที่เล็กกว่าจะสร้างลวดลายมัวเรในลักษณะเดียวกับการวางแนวไม่ตรงแนว ในกรณีนี้ เนื่องจากไม่มีการหมุนเวียนระหว่างเลเยอร์ สแตกจึงมีแนวโน้มที่จะเข้าที่และอยู่นิ่ง เมื่อ Xia มุ่งมั่นที่จะสร้างอุปกรณ์ TMD moiré เธอกล่าวว่าโดยทั่วไปแล้ว เธอประสบความสำเร็จสี่ครั้งในห้าครั้ง
วัสดุ TMD moiré สร้างสนามเด็กเล่นในอุดมคติสำหรับการสำรวจปฏิสัมพันธ์ของอิเล็กตรอน เนื่องจากวัสดุเป็นเซมิคอนดักเตอร์ อิเล็กตรอนของพวกมันจึงหนักเมื่อพุ่งผ่านวัสดุ ซึ่งต่างจากอิเล็กตรอนที่คลั่งไคล้ในกราฟีน และเซลล์มัวร์ขนาดมหึมาทำให้พวกมันช้าลงไปอีก: ในขณะที่อิเล็กตรอนมักจะเคลื่อนที่ระหว่างอะตอมโดย "การทำอุโมงค์" ซึ่งเป็นพฤติกรรมทางกลของควอนตัมที่คล้ายกับเทเลพอร์ต การขุดอุโมงค์นั้นไม่ค่อยเกิดขึ้นในตาข่ายมัวร์ เนื่องจากซุปเปอร์เซลล์อยู่ห่างจากอะตอมภายในพวกมันประมาณ 100 เท่า . ระยะทางช่วยให้อิเล็กตรอนปักหลักและทำให้พวกเขามีโอกาสรู้จักเพื่อนบ้าน
Feng Wang คู่แข่งที่เป็นมิตรของ Shan และ Mak เป็นหนึ่งในคนกลุ่มแรกๆ ที่ตระหนักถึงศักยภาพของ TMD moiré superlattices การคำนวณหลังซองชี้ให้เห็นว่าวัสดุเหล่านี้ควรก่อให้เกิดวิธีที่ง่ายที่สุดวิธีหนึ่งที่อิเล็กตรอนสามารถจัดระเบียบได้ ซึ่งเป็นสถานะที่เรียกว่าคริสตัลวิกเนอร์ ซึ่งแรงผลักซึ่งกันและกันจะล็อคอิเล็กตรอนที่เฉื่อยชาเข้าที่ ทีมงานวังเห็น สัญญาณของรัฐดังกล่าว ในปี 2020 และเผยแพร่ ภาพแรก ของอิเล็กตรอนที่จับกันที่ความยาวแขนใน ธรรมชาติ ในปี 2021 เมื่อถึงตอนนั้น คำพูดของกิจกรรม TMD moiré ของ Wang ได้แพร่กระจายไปทั่วชุมชนฟิสิกส์ 2D ที่แน่นแฟ้น และโรงงาน Cornell TMD ก็ผลิตอุปกรณ์ TMD moiré ของตัวเองออกมา Shan และ Mak ยังรายงานหลักฐานของผลึก Wigner ใน TMD superlattices ในปี 2020 และค้นพบภายในไม่กี่เดือนว่าอิเล็กตรอนในอุปกรณ์ของพวกมันสามารถตกผลึกได้ในเกือบ ลวดลายคริสตัล Wigner ที่แตกต่างกันสองโหล.
ในเวลาเดียวกัน กลุ่ม Cornell ยังได้ประดิษฐ์วัสดุ TMD moiré ให้เป็นเครื่องมือไฟฟ้า MacDonald และผู้ร่วมงาน ได้ทำนายไว้ ในปี 2018 อุปกรณ์เหล่านี้มีคุณสมบัติทางเทคนิคที่ผสมผสานกันอย่างลงตัว เพื่อทำให้เป็นหนึ่งในโมเดลของเล่นที่สำคัญที่สุดในฟิสิกส์ของสารควบแน่นได้อย่างสมบูรณ์แบบ แบบจำลองฮับบาร์ดตามที่เรียกว่าเป็นระบบทฤษฎีที่ใช้เพื่อทำความเข้าใจพฤติกรรมของอิเล็กตรอนที่หลากหลาย เสนออย่างอิสระ โดย Martin Gutzwiller, Junjiro Kanamori และ John Hubbard ในปีพ.ศ. 1963 แบบจำลองนี้เป็นความพยายามอย่างดีที่สุดของนักฟิสิกส์ในการกำจัดผลึกขัดแตะอันหลากหลายที่แทบจะไม่มีที่สิ้นสุดจนถึงคุณลักษณะที่สำคัญที่สุดของพวกเขา ลองนึกภาพตารางอะตอมที่มีอิเล็กตรอน แบบจำลองฮับบาร์ดสันนิษฐานว่าอิเล็กตรอนแต่ละตัวรู้สึกถึงแรงสองอย่างที่แข่งขันกัน: มันต้องการที่จะเคลื่อนที่โดยการขุดอุโมงค์ไปยังอะตอมที่อยู่ใกล้เคียง แต่ก็ถูกเพื่อนบ้านผลักไสเช่นกัน ซึ่งทำให้มันต้องการที่จะอยู่ในที่ที่มันอยู่ พฤติกรรมที่แตกต่างกันขึ้นอยู่กับความปรารถนาที่แข็งแกร่งที่สุด ปัญหาเดียวของโมเดล Hubbard คือในกรณีที่ง่ายที่สุด - สตริงอะตอม 1 มิติ - มันไม่สามารถแก้ไขได้ทางคณิตศาสตร์
ตามที่ MacDonald และเพื่อนร่วมงานกล่าว วัสดุ TMD moiré สามารถทำหน้าที่เป็น "เครื่องจำลอง" ของแบบจำลอง Hubbard ซึ่งอาจช่วยไขความลึกลับที่ลึกที่สุดของสนามเช่นธรรมชาติของกาวที่ผูกอิเล็กตรอนเป็นคู่ตัวนำยิ่งยวดใน cuprates แทนที่จะต้องดิ้นรนกับสมการที่เป็นไปไม่ได้ นักวิจัยสามารถปล่อยอิเล็กตรอนในแซนวิช TMD และดูสิ่งที่พวกเขาทำ MacDonald กล่าวว่า "เราสามารถจดโมเดลนี้ได้ แต่มันยากมากที่จะตอบคำถามสำคัญๆ มากมาย" MacDonald กล่าว “ตอนนี้เราทำได้เพียงแค่ทำการทดลอง ที่แหวกแนวจริงๆ”
ในการสร้างแบบจำลอง Hubbard ของพวกเขา Shan และ Mak ได้ซ้อนชั้นของทังสเตน diselenide และทังสเตนซัลไฟด์เพื่อสร้าง moiré superlattice และพวกเขาติดอิเล็กโทรดเพื่อหมุนขึ้นหรือลงสนามไฟฟ้าผ่านแซนวิช TMD สนามไฟฟ้าควบคุมจำนวนอิเล็กตรอนที่จะเติม supercell แต่ละเซลล์ เนื่องจากเซลล์ทำหน้าที่เหมือนอะตอมยักษ์ การเปลี่ยนจากอิเล็กตรอนหนึ่งไปเป็นสองอิเล็กตรอนต่อซูเปอร์เซลล์ ก็เหมือนการเปลี่ยนโครงตาข่ายของอะตอมไฮโดรเจนให้กลายเป็นโครงตาข่ายของอะตอมฮีเลียม ในของพวกเขา สิ่งพิมพ์รุ่น Hubbard เบื้องต้น in ธรรมชาติ ในเดือนมีนาคม 2020 พวกเขารายงานการจำลองอะตอมที่มีอิเล็กตรอนมากถึงสองตัว วันนี้พวกเขาสามารถไปถึงแปด ในแง่หนึ่ง พวกเขาได้ตระหนักถึงเป้าหมายโบราณของการเปลี่ยนตะกั่วเป็นทองคำ “มันเหมือนกับการปรับจูนเคมี” หมากกล่าว “การดูตารางธาตุ” โดยหลักการแล้ว พวกมันสามารถสร้างกริดของอะตอมที่สมมติขึ้นได้ โดยแต่ละอันมี 1.38 อิเล็กตรอน
ต่อจากนั้นกลุ่มก็มองไปที่หัวใจของอะตอมเทียม ด้วยอิเล็กโทรดที่มากขึ้น พวกเขาสามารถควบคุม "ศักยภาพ" ของ supercells โดยทำการเปลี่ยนแปลงคล้ายกับการเพิ่มโปรตอนบวกไปยังศูนย์กลางของอะตอมสังเคราะห์ขนาดยักษ์ ยิ่งนิวเคลียสมีประจุมากเท่าใด อิเล็กตรอนก็จะยิ่งเจาะอุโมงค์ได้ยากขึ้น ดังนั้นสนามไฟฟ้านี้จึงปล่อยให้พวกมันเพิ่มและลดแนวโน้มการกระโดด
การควบคุมอะตอมยักษ์ของหมากและฉาน – และแบบจำลองฮับบาร์ด – เสร็จสมบูรณ์ ระบบ TMD moiré ช่วยให้พวกเขาสามารถเรียกตารางอะตอมของ ersatz ได้ แม้แต่อะตอมที่ไม่มีอยู่ในธรรมชาติ และแปลงมันอย่างราบรื่นตามที่ต้องการ เป็นพลังที่แม้แต่นักวิจัยคนอื่น ๆ ในสาขานี้ก็ยังมีความมหัศจรรย์ “ถ้าฉันจะแยกแยะความพยายามที่น่าตื่นเต้นและน่าประทับใจที่สุดของพวกเขาออกมา นั่นคือสิ่งเดียวที่ทำได้” คิมกล่าว
กลุ่มคอร์เนลล์ใช้อะตอมของนักออกแบบอย่างรวดเร็วเพื่อยุติการโต้วาทีอายุ 70 ปี คำถามคือ จะเกิดอะไรขึ้นถ้าคุณสามารถใช้ฉนวนและปรับแต่งอะตอมของมันให้กลายเป็นโลหะนำไฟฟ้าได้ การเปลี่ยนแปลงจะเกิดขึ้นทีละน้อยหรือกะทันหัน?
ด้วยการเล่นแร่แปรธาตุมัวร์ ฉานและหมากจึงทำการทดลองทางความคิดในห้องทดลองของพวกเขา ขั้นแรกพวกเขาจำลองอะตอมหนักซึ่งดักอิเล็กตรอนไว้เพื่อให้ TMD superlattice ทำหน้าที่เหมือนฉนวน จากนั้นพวกมันก็หดอะตอม ทำให้กับดักอ่อนลงจนอิเล็กตรอนสามารถกระโดดไปสู่อิสรภาพได้ ปล่อยให้โครงตาข่ายยิ่งยวดกลายเป็นโลหะนำไฟฟ้า โดยการสังเกตความต้านทานไฟฟ้าที่ค่อยๆ ลดลงในขณะที่ superlattice ทำหน้าที่เหมือนโลหะมากขึ้น พวกเขาแสดงให้เห็นว่าการเปลี่ยนแปลงนั้นไม่ได้เกิดขึ้นอย่างกะทันหัน การค้นพบนี้ซึ่ง พวกเขาประกาศ in ธรรมชาติ ปีที่แล้ว เปิดโอกาสให้อิเลคตรอนของ superlattice สามารถบรรลุความลื่นไหลที่เรียกว่า a ของเหลวหมุนควอนตัม. “นั่นอาจเป็นปัญหาที่น่าสนใจที่สุดที่เราสามารถจัดการได้” หมากกล่าว
เกือบในเวลาเดียวกัน ทั้งคู่โชคดีกับสิ่งที่นักฟิสิกส์บางคนคิดว่าการค้นพบที่สำคัญที่สุดของพวกเขา “มันเป็นอุบัติเหตุจริงๆ” หมากกล่าว “ไม่มีใครคาดคิด”
เมื่อพวกเขาเริ่มการวิจัยการจำลองของ Hubbard นักวิจัยได้ใช้แซนวิช TMD โดยที่รูปหกเหลี่ยมบนสองชั้นถูกจัดเรียงด้วยโลหะทรานซิชันบนโลหะทรานซิชันและ chalcogenides บนยอด chalcogenides (นั่นคือตอนที่พวกเขาค้นพบการเปลี่ยนสถานะฉนวนเป็นโลหะทีละน้อย) จากนั้น พวกเขาก็บังเอิญทำการทดลองซ้ำกับอุปกรณ์ต่างๆ ที่ชั้นบนสุดถูกซ้อนกันไว้ข้างหลัง
เมื่อก่อน ความต้านทานเริ่มลดลงเมื่ออิเล็กตรอนเริ่มกระโดด แต่แล้วมันก็ตกลงไปอย่างกะทันหัน ลดลงจนนักวิจัยสงสัยว่ามัวร์เรเริ่มมีตัวนำยิ่งยวดหรือไม่ สำรวจเพิ่มเติมแม้ว่าพวกเขา วัดรูปแบบความต้านทานที่หายาก ที่รู้จักกันในชื่อเอฟเฟกต์ฮอลล์ผิดปกติของควอนตัม - พิสูจน์ว่ามีบางสิ่งที่แปลกประหลาดกว่านั้นเกิดขึ้น ผลที่ได้แสดงให้เห็นว่าโครงสร้างผลึกของอุปกรณ์ดึงดูดอิเล็กตรอนไปตามขอบของวัสดุเพื่อให้ทำหน้าที่แตกต่างจากที่อยู่ตรงกลาง ตรงกลางของอุปกรณ์ อิเล็กตรอนถูกขังอยู่ในสถานะฉนวน แต่รอบๆ เส้นรอบวง พวกมันไหลไปในทิศทางเดียว — อธิบายแนวต้านที่ต่ำมาก โดยบังเอิญ นักวิจัยได้สร้างสสารที่มีลักษณะผิดปกติและเปราะบางอย่างมาก ซึ่งเรียกว่า ฉนวน Chern
เอฟเฟกต์ฮอลล์ผิดปกติของควอนตัม พบครั้งแรกในปีพ. ศ. 2013มักจะแตกสลายหากอุณหภูมิสูงกว่าสองสามร้อยเคลวิน ในปี 2019 กลุ่มของ Young ใน Santa Barbara ได้เห็นใน แซนวิชกราฟีนบิดครั้งเดียว ที่ประมาณ 5 เคลวิน ตอนนี้ Shan และ Mak ได้รับเอฟเฟกต์ที่อุณหภูมิเกือบเท่ากัน แต่ในอุปกรณ์ TMD ที่ไม่มีการบิดเบี้ยวที่ทุกคนสามารถสร้างใหม่ได้ “อุณหภูมิของเรามีอุณหภูมิสูงขึ้น แต่ฉันจะเอามันทุกวันเพราะพวกเขาสามารถทำได้ 10 ครั้งติดต่อกัน” Young กล่าว นั่นหมายความว่าคุณสามารถเข้าใจมัน “และใช้มันเพื่อทำบางสิ่งจริงๆ”
หมากและฉานเชื่อว่าด้วยการเล่นซอ พวกเขาสามารถใช้วัสดุ TMD moiré เพื่อสร้างฉนวน Chern ที่ทนทานต่ออุณหภูมิได้ 50 หรือ 100 เคลวิน หากทำสำเร็จ งานนี้อาจนำไปสู่อีกวิธีหนึ่งในการทำให้กระแสไหลโดยไม่มีแรงต้าน อย่างน้อยก็สำหรับ “สายนาโน” เล็กๆ ซึ่งพวกมันอาจเปิดและปิดในบางจุดภายในอุปกรณ์ได้
สำรวจใน Flatland
แม้ว่าผลลัพธ์จากจุดสังเกตจะทวีความรุนแรงขึ้น แต่ทั้งคู่ก็ไม่แสดงอาการชะลอตัว ในวันที่ฉันไปเยี่ยม หมากมองดูขณะที่นักเรียนกำลังซ่อมแซมตู้เย็นเจือจางที่สูงตระหง่าน ซึ่งจะทำให้พวกเขาแช่เย็นอุปกรณ์ของตนให้มีอุณหภูมิที่เย็นกว่าที่เคยใช้งานมาหลายพันเท่า มีฟิสิกส์มากมายให้ค้นพบในสภาวะที่ "อุ่นกว่า" ซึ่งกลุ่มนี้ไม่มีโอกาสได้ค้นหาสัญญาณของการนำยิ่งยวดในขอบเขตการแช่แข็งที่ลึกกว่านั้นอย่างละเอียดถี่ถ้วน หากตู้เย็นซุปเปอร์ปล่อยให้สารตัวนำยิ่งยวดของ TMD นั่นจะตอบคำถามอีกข้อหนึ่งแสดงว่า รูปแบบของแม่เหล็กที่อยู่ภายใน cuprates (แต่ขาดจาก TMD) ไม่ใช่ส่วนประกอบสำคัญของกาวจับอิเล็กตรอน “มันเหมือนกับการฆ่าองค์ประกอบสำคัญอย่างหนึ่งที่นักทฤษฎีต้องการจะฆ่ามาเป็นเวลานาน” หมากกล่าว
เขาและฉานและกลุ่มของพวกเขายังไม่ได้เริ่มทดลองกับ TMD ที่ขี้ขลาดบางตัวด้วยซ้ำ หลังจากใช้เวลาหลายปีในการประดิษฐ์อุปกรณ์ที่จำเป็นในการเคลื่อนย้ายวัสดุ 2D ทั่วทั้งทวีป ในที่สุดพวกเขาก็พร้อมที่จะเสี่ยงภัยเหนือหัวหาดที่เป็นโมลิบดีนัมที่พวกเขาไปถึงในปี 2010
นักวิจัยทั้งสองระบุว่าความสำเร็จของพวกเขามาจากวัฒนธรรมความร่วมมือที่พวกเขาซึมซับที่โคลัมเบีย พวกเขากล่าวว่าการทำงานร่วมกันครั้งแรกกับ Hone ที่แนะนำให้พวกเขารู้จักกับโมลิบดีนัมซัลไฟด์เป็นเพียงหนึ่งในโอกาสมากมายที่พวกเขาได้รับเพราะพวกเขามีอิสระที่จะติดตามความอยากรู้ของพวกเขา “เราไม่ต้องหารือกัน” แผนของพวกเขากับไฮนซ์ หัวหน้าห้องแล็บของพวกเขา ฉานกล่าว “เราได้พูดคุยกับผู้คนจากกลุ่มอื่น เราทำการทดลอง เรายังห่อของไว้ด้วย”
วันนี้พวกเขาส่งเสริมสภาพแวดล้อมที่ผ่อนคลายในทำนองเดียวกันที่ Cornell ซึ่งพวกเขาดูแล postdocs สองสามโหลนักวิจัยและนักศึกษาที่มาเยี่ยมซึ่งส่วนใหญ่มีอิสระที่จะทำสิ่งของตนเอง “นักเรียนฉลาดมากและมีความคิดที่ดี” หมากกล่าว “บางครั้งคุณก็ไม่อยากยุ่ง”
การแต่งงานของพวกเขายังทำให้ห้องทดลองของพวกเขาไม่เหมือนใคร ทั้งสองได้เรียนรู้ที่จะพึ่งพาจุดแข็งของตนเอง นอกจากความคิดสร้างสรรค์มากมายในฐานะนักทดลองแล้ว Shan ยังมีวินัยที่รอบคอบซึ่งทำให้เธอเป็นผู้จัดการที่ดี ขณะที่เราสามคนพูดคุยกัน เธอมักจะสะกิด "ศาสตราจารย์ไฟ" ให้กลับมาเป็นปกติเมื่อความกระตือรือร้นในวิชาฟิสิกส์ทำให้เขาต้องลงลึกในด้านเทคนิคมากเกินไป ในส่วนของเขานั้น หมากสนุกกับการทำงานหนักร่วมกับนักวิจัยช่วงเริ่มต้นอาชีพ ทั้งในและนอกห้องแล็บ เขาเพิ่งเริ่มปีนหน้าผากับกลุ่ม “ดูเหมือนว่าห้องปฏิบัติการของพวกเขาคือครอบครัวของพวกเขา” ยังกล่าว ฉานและหมากบอกฉันว่าพวกเขาประสบความสำเร็จร่วมกันมากกว่าที่พวกเขาทำได้โดยลำพัง “หนึ่งบวกหนึ่งมากกว่าสอง” หมากกล่าว
อุปกรณ์ที่พวกเขากำลังสร้างอาจซ้อนกันเป็นมากกว่าผลรวมของชิ้นส่วน ในขณะที่นักวิจัยเข้าร่วมแผ่นงาน TMD ร่วมกันเพื่อสร้าง excitons และ moiré superlattices พวกเขาคาดการณ์ว่าวิธีการใหม่ในการเพาะเลี้ยงอิเล็กตรอนอาจเพิ่มพลังให้กับเทคโนโลยี แม้ว่าความเป็นตัวนำยิ่งยวดที่พร้อมใช้งานในกระเป๋าจะยังคงเข้าใจยาก แต่คอนเดนเสทของ Bose-Einstein อาจนำไปสู่เซ็นเซอร์ควอนตัมที่มีความไวสูงเป็นพิเศษ และสามารถควบคุมฉนวนที่มีลักษณะคล้าย Chern ได้ดียิ่งขึ้น คอมพิวเตอร์ควอนตัมทรงพลัง. และนั่นเป็นเพียงความคิดที่ชัดเจน การปรับปรุงที่เพิ่มขึ้นในด้านวัสดุศาสตร์มักจะเพิ่มการใช้งานที่รุนแรงซึ่งเกิดขึ้นน้อยมาก ยกตัวอย่างเช่น นักวิจัยที่พัฒนาทรานซิสเตอร์จะต้องลำบากในการทำนายสมาร์ทโฟนที่ขับเคลื่อนด้วยสวิตช์ขนาดเล็กมากจำนวนหลายพันล้านตัวที่ยัดเข้าไปในชิปขนาดเท่าเล็บมือ และนักวิทยาศาสตร์ที่พยายามสร้างเส้นใยแก้วที่สามารถนำแสงผ่านห้องทดลองของพวกเขาไม่สามารถคาดการณ์ได้ว่าเส้นใยแก้วนำแสงใต้ทะเลที่มีความยาว 10,000 กิโลเมตรจะเชื่อมโยงทวีปในสักวันหนึ่ง วัสดุสองมิติอาจมีวิวัฒนาการไปในทิศทางที่คาดเดาไม่ได้เช่นเดียวกัน “แพลตฟอร์มวัสดุใหม่จริงๆ สร้างแอปพลิเคชันของตัวเอง แทนที่จะแทนที่วัสดุที่มีอยู่” ไฮนซ์กล่าว
ขณะขับรถพาฉันไปที่ป้ายรถเมล์อิธากา ฉานและหมากบอกฉันเกี่ยวกับวันหยุดพักผ่อนล่าสุด (และหายาก) ที่พวกเขาพาไปที่แบมฟ์ ประเทศแคนาดา ซึ่งพวกเขาได้แสดงความสามารถอีกครั้งในการสะดุดเข้ากับเรื่องเซอร์ไพรส์ด้วยความพยายามและโชคที่ผสมผสานกัน พวกเขาใช้เวลาหลายวันเพื่อพยายามหาหมี จากนั้น เมื่อสิ้นสุดการเดินทาง ระหว่างทางไปสนามบิน พวกเขาหยุดเพื่อเหยียดขาที่เขตอนุรักษ์พฤกษศาสตร์ และพบว่าตนเองเผชิญหน้ากับหมีดำ
ในทำนองเดียวกันกับฟิสิกส์ของสสารควบแน่น วิธีการของพวกเขาคือการเดินไปมาด้วยกันในภูมิประเทศใหม่และดูว่ามีอะไรเกิดขึ้น “เราไม่มีแนวทางเชิงทฤษฎีมากนัก แต่เราแค่เล่นๆ เล่นๆ และทดลองเล่น” หมากกล่าว “มันอาจจะล้มเหลว แต่บางครั้งคุณสามารถเจอสิ่งที่ไม่คาดคิดได้”
