Molibdenit, eğitimli bir göze bile, grafitle neredeyse aynı görünür - parlak, gümüşi bir kristal. İyi bir kalem dolgusu yapacak şekilde pulları keserek de benzer şekilde davranır. Ama bir elektron için iki atom ağı farklı dünyalar oluşturur. Bu ayrım, bilimsel kayıtlara ilk olarak 244 yıl önce girdi. Oksijen keşfiyle tanınan İsveçli kimyager Carl Scheele, her bir minerali çeşitli asitlere daldırdı ve fışkıran korkunç gaz bulutlarını izledi. Bu yaklaşımın bedelini eninde sonunda hayatıyla ödeyen ve şüpheli ağır metal zehirlenmesinden 43 yaşında ölen Scheele, molibdenitin yeni bir madde olduğu sonucuna vardı. 1778'de İsveç Kraliyet Bilimler Akademisi'ne yazdığı bir mektupta bunu açıklarken, "Burada, eczaneden elde edilebilecek yaygın olarak bilinen grafitten bahsetmiyorum. Bu geçiş metali bilinmiyor gibi görünüyor.”
Toz halinde parçalara ayrılma eğilimi ile molibdenit, 20. yüzyılda popüler bir yağlayıcı haline geldi. Kayakların karda daha uzağa kaymasına yardımcı oldu ve Vietnam'daki mermilerin tüfek namlularından çıkışını yumuşattı.
Bugün, aynı düzensizlik bir fizik devrimini körüklüyor.
Atılımlar grafit ve Scotch bant ile başladı. Araştırmacılar, 2004 yılında tesadüfen, sadece bir atom kalınlığında grafit pullarını bantla soyabileceklerini keşfettiler. Her biri düz bir karbon atomu dizisi olan bu kristal tabakalar, geldikleri üç boyutlu kristallerden kökten farklı olan şaşırtıcı özelliklere sahipti. Grafen (keşfedenlerin dediği gibi) tamamen yeni bir madde kategorisiydi - 2 boyutlu bir malzeme. Keşfi, maddenin birçok biçimini ve davranışını anlamaya çalışan fizik dalı olan yoğun madde fiziğini dönüştürdü. Neredeyse yarısı tüm fizikçilerin çoğu yoğun madde fizikçileridir; bize bilgisayar çiplerini, lazerleri, LED ampulleri, MRI makinelerini, güneş panellerini ve her türden modern teknolojik harikaları getiren alt alandır. Grafenin keşfinden sonra, binlerce yoğun madde fizikçisi, gelecekteki teknolojileri destekleyeceğini umarak yeni malzemeyi incelemeye başladı.
Grafeni keşfedenler 2010 yılında Nobel Fizik Ödülü'nü aldılar. Aynı yıl, Columbia Üniversitesi'nden iki genç fizikçi, Jie Shan ve Kin Fai Mak, molibdenit pullarının grafenden bile daha büyülü olabileceğine dair işaretler gördü. Daha az bilinen mineral, çalışmayı zorlaştıran özelliklere sahiptir - birçok laboratuvar için çok zor - ancak Shan ve Mak'ı büyüledi. İnatçı ikili, yaklaşık on yılını 2D molibdenit (veya kristalin laboratuarda yetiştirilen versiyonu olarak adlandırılan molibden disülfür) ve yakından ilişkili bir 2D kristal ailesini tartışmaya adadı.
Şimdi onların çabası meyvesini veriyor. Şu anda evli olan ve Cornell Üniversitesi'nde ortak bir araştırma grubunu yöneten Shan ve Mak, 2 boyutlu molibden disülfür kristallerinin ve akrabalarının çok çeşitli egzotik kuantum fenomenlerine yol açabileceğini gösterdi. "Çılgın bir oyun alanı" dedi James Bilemek, Cornell laboratuvarına yüksek kaliteli kristaller sağlayan Columbia'da bir araştırmacı. "Modern yoğun madde fiziğini tek bir malzeme sisteminde yapabilirsiniz."
Shan ve Mak'ın grubu, bu düz kristallerde benzeri görülmemiş şekillerde davranan elektronları yakaladı. Parçacıkları bir kuantum sıvısında birleşmek ve bir dizi buza benzer yapı içinde donmak için ikna ettiler. Artık temel madde teorileri için test yatakları olarak hizmet eden devasa yapay atom ızgaralarını birleştirmeyi öğrendiler. 2018'de Cornell laboratuvarlarını açtıklarından beri, usta elektron terbiyecileri, şu ana kadar göz kamaştıran sekiz makale yayınladılar. Tabiat, bilimdeki en prestijli dergi ve bir dizi başka makale. Teorisyenler, çiftin elektron kalabalığının neler yapabileceğine dair anlayışı genişlettiğini söylüyor.
Araştırmaları "birçok açıdan derinden etkileyici" dedi. philip kimHarvard Üniversitesi'nde tanınmış bir yoğun madde fizikçisi olan Dr. “Sansasyonel diyebilirim.”
2D Malzemelerin Yükselişi
Bir malzemenin nitelikleri genellikle elektronlarının ne yaptığını yansıtır. Örneğin metal gibi iletkenlerde elektronlar atomlar arasında kolaylıkla dolaşarak elektriği taşır. Ahşap ve cam gibi yalıtkanlarda elektronlar yerinde kalır. Silikon gibi yarı iletkenler arada kalır: Elektronları bir enerji akışıyla hareket etmeye zorlanabilir, bu da onları akımları açıp kapatmak için ideal hale getirir - bir transistörün işi. Son 50 yılda, bu üç temel elektron davranışının yanı sıra, yoğun madde fizikçileri, hafif yüklü parçacıkların çok daha egzotik şekillerde davrandığını gördüler.
Daha dramatik sürprizlerden biri 1986'da iki IBM araştırmacısı Georg Bednorz ve Alex Müller'in algılandı herhangi bir direnç olmaksızın bir bakır oksit ("kuprat") kristali boyunca hareket eden elektron akımı. Bu süperiletkenlik - elektriğin mükemmel verimlilikle akma yeteneği - daha önce görülmüştü, ancak yalnızca birkaç derecelik mutlak sıfıra soğutulan malzemelerde iyi anlaşılan nedenlerle. Bu kez Bednorz ve Müller, rekor kıran 35 kelvinde (yani, mutlak sıfırın 35 derece üzerinde) devam eden fenomenin gizemli bir biçimini gözlemlediler. Bilim adamları kısa süre sonra 100 kelvin'in üzerinde süper iletken olan diğer kupratları keşfettiler. Bugün yoğun madde fiziğinin belki de bir numaralı hedefi olmaya devam eden bir rüya doğdu: Sıcak, kabaca 300 kelvin dünyamızda elektriği süper iletebilen, kayıpsız güç hatlarına olanak tanıyan, araçları havaya kaldıran araçlar ve diğer hiper verimli cihazlara olanak tanıyan bir madde bulmak veya tasarlamak. insanlığın enerji ihtiyacını önemli ölçüde azaltacaktır.
Süperiletkenliğin anahtarı, normalde birbirini iten elektronları eşlemek ve bozonlar olarak bilinen varlıklar oluşturmak için koaksiyel yapmaktır. Bozonlar daha sonra topluca birleşerek sürtünmesiz bir kuantum sıvısı oluşturabilir. Atomik titreşimler gibi bozonları yaratan çekici kuvvetler, normalde elektronların itişini sadece kriyojenik sıcaklıklarda veya kriyojenik sıcaklıklarda yenebilir. yüksek basınçlar. Ancak bu aşırı koşullara duyulan ihtiyaç, süperiletkenliğin günlük cihazlara girmesini engelledi. Kupratların keşfi, doğru atomik kafesin elektronları o kadar sıkı bir şekilde birbirine "yapıştırabileceği" ve oda sıcaklığında bile sıkışıp kalacakları yönündeki umutları artırdı.
Bednorz ve Müller'in bulgusundan 40 yıl sonra, teorisyenler hala kupratlardaki yapıştırıcının nasıl çalıştığından tam olarak emin değiller, onu güçlendirmek için malzemeleri nasıl ince ayar yapacakları bir yana. Bu nedenle, yoğun madde fiziğinde yapılan pek çok araştırma, elektronlarını çift tutabilen veya elektronları başka harika şekillerde yönetebilen kristaller için bir deneme yanılma yöntemidir. Kim, “Yoğun madde, tesadüflere izin veren bir fizik dalıdır” dedi. 2004D malzemelerin 2 keşfi böyleydi.
Andre Geim ve Konstantin Novoselov, Birleşik Krallık'taki Manchester Üniversitesi'nde grafit ile çalışan, keşfetti malzemenin pul pul olmasının şok edici bir sonucu. Bir grafit kristali, gevşek bir şekilde bağlı altıgen tabakalar halinde düzenlenmiş karbon atomları içerir. Teorisyenler, yığının dengeleyici etkisi olmadan, ısı kaynaklı titreşimlerin tek katmanlı bir levhayı parçalayacağını uzun zamandır tahmin ediyorlardı. Ancak Geim ve Novoselov, kararlı, atomik olarak ince tabakaları Scotch bant ve ısrardan biraz daha fazlasıyla soyabileceklerini buldular. Grafen ilk gerçekten düz malzemeydi - elektronların etrafında kayabildiği ancak yukarı ve aşağı kayamadığı bir düzlem.
Columbia fizikçisi Hone, dünyanın en ince malzemesinin bir şekilde aynı zamanda en güçlüsü. Teorisyenlerin bir arada durmayacağını düşündükleri bir materyal için dikkate değer bir rahatsızlıktı.
Fizikçilerin grafen hakkında en çok merak ettikleri şey, karbon düzlüklerinin elektronları nasıl dönüştürdüğüydü: Hiçbir şey onları yavaşlatamazdı. Elektronlar genellikle, ders kitabı kütlelerinden daha ağır hareket ederek (bir yalıtkanın hareketsiz elektronları sonsuz kütleye sahipmiş gibi davranırlar) hareket ettikleri atomların kafesi tarafından tetiklenirler. Bununla birlikte, grafenin düz kafesi, elektronların saniyede bir milyon metre hızla dönmesine izin verir - ışık hızından sadece birkaç yüz kat daha yavaş. Bu sabit, kabarma hızında, elektronlar sanki hiç kütleleri yokmuş gibi uçtu ve grafeni aşırı (süper olmasa da) iletkenlikle kutsadı.
Harika malzemenin etrafında koca bir alan oluştu. Araştırmacılar ayrıca daha geniş düşünmeye başladılar. Diğer maddelerin 2D pulları kendi süper güçlerini barındırabilir mi? Hone dallananlar arasındaydı. 2009'da, grafitin doppelganger, molibden disülfürün bazı mekanik özelliklerini ölçtü ve ardından kristali Tony Heinz'in Columbia laboratuvarındaki iki optik uzmanına verdi. Katılan herkesin kariyerini değiştirecek sıradan bir hareketti.
Molibden disülfür numunesi, kariyerinin başlarında misafir profesör olan Jie Shan ve yüksek lisans öğrencisi Kin Fai Mak'ın eline geçti. Genç ikili, grafenin ışıkla nasıl etkileşime girdiğini inceliyordu, ancak şimdiden diğer malzemeler hakkında hayal kurmaya başlamışlardı. Grafenin hızlı elektronları onu harika bir iletken yapıyor, ancak istedikleri 2 boyutlu bir yarı iletkendi - elektron akışını açıp kapatabilecekleri ve bu nedenle bir transistör görevi görebilecek bir malzeme.
Molibden disülfidin yarı iletken olduğu biliniyordu. Ve Shan ve Mak kısa süre sonra, grafit gibi 2B'de ek güçler kazandığını öğrendi. Bir lazeri 3 boyutlu "moly disülfid" kristalleri üzerine tuttuklarında (onların sevgiyle adlandırdıkları gibi), kristaller karanlık kaldı. Ancak Shan ve Mak, katmanları Scotch bantla yırtıp, lazerle vurduklarında ve mikroskop altında incelediklerinde, 2D tabakaların parlak bir şekilde parladığını gördüler.
Diğer gruplardan yapılan araştırmalar, daha sonra, yakından ilişkili bir malzemeden iyi yapılmış tabakaların, onlara çarpan her son fotonu yansıttığını doğrulayacaktır. Geçenlerde onunla ve Shan'la Cornell'deki ortak ofislerinde buluştuğumda Mak, "Bu akıllara durgunluk veren bir şey," dedi. "Sadece tek bir atom yaprağınız var ve ışığın %100'ünü mükemmel bir ayna gibi yansıtabilir." Bu özelliğin muhteşem optik cihazlara yol açabileceğini fark ettiler.
Bağımsız, Feng WangBerkeley'deki California Üniversitesi'nden bir fizikçi olan , aynı keşfi yaptı. Son derece yansıtıcı ve önyüklenecek bir yarı iletken olan bir 2D malzeme topluluğun dikkatini çekti. Her ikisi de gruplar 2010 yılında bulgularını yayınladı; makaleler o zamandan beri aralarında 16,000'den fazla alıntı aldı. Hone, "Lazerleri olan herkes 2D malzemelerle çok ilgilenmeye başladı" dedi.
Moly disülfidi ikinci bir 2D harika malzeme olarak tanımlayarak, iki grup 2D malzemelerin bütün bir kıtasına iniş yaptı. Moly disülfid, molibden gibi periyodik tablonun metalik orta bölgesinden gelen atomların kükürt gibi kalkojenitler olarak bilinen kimyasal bileşikler çiftleriyle birleştiği, geçiş metali dikalkojenitleri (TMD'ler) olarak bilinen bir madde ailesine aittir. Moly disülfid, doğal olarak oluşan tek TMD'dir, ancak düzinelerce daha araştırmacıların laboratuvarlarda üretebilecekleri tungsten disülfür, molibden ditellürid vb. Çoğu, zayıf bir şekilde bağlanmış sayfalar oluşturur ve bu da onları bir bant parçasının ticari tarafına duyarlı hale getirir.
Bununla birlikte, araştırmacılar TMD'lerin parlamaktan fazlasını yapmasını sağlamak için mücadele ederken, ilk heyecan dalgası kısa sürede azaldı. Wang'ın grubu, metal elektrotları moly disülfide kolayca bağlayamadıklarını keşfettikten sonra grafen üzerine geri döndü. "Bu, birkaç yıldır grubumuz için tökezleyen bir engel oldu" dedi. Şu anda bile temas kurmakta pek iyi değiliz. TMD'lerin grafene göre ana avantajının aynı zamanda en büyük zayıflıkları olduğu görülüyordu: Bir malzemenin elektronik özelliklerini incelemek için araştırmacılar genellikle elektronları içine itmeli ve ortaya çıkan akımın direncini ölçmelidir. Ancak yarı iletkenler zayıf iletkenler olduğu için elektronları içeri veya dışarı almak zordur.
Mak ve Shan başlangıçta kararsız hissettiler. Mak, “Grafen üzerinde çalışmaya devam edip etmeyeceğimiz veya bu yeni malzeme üzerinde çalışmaya başlamamız gerçekten belirsizdi” dedi. "Ama bu güzel özelliğe sahip olduğunu bulduğumuz için birkaç deney daha yapmaya devam ettik."
Çalışırken, iki araştırmacı, moly disülfid ve birbirleri tarafından giderek daha fazla büyülendi. Başlangıçta, iletişimleri profesyoneldi ve büyük ölçüde araştırma odaklı e-postalarla sınırlıydı. “Fai sık sık soruyordu, 'Bu ekipman parçası nerede? Bunu nereye koydun?” dedi Shan. Ama sonunda, uzun saatler boyunca kuluçkaya yatırılan ve deneysel başarı ile katalize edilen ilişkileri romantik bir hal aldı. Mak, “Birbirimizi çok sık gördük, kelimenin tam anlamıyla aynı laboratuvarda aynı proje üzerinde çalışıyorduk” dedi. “Projenin çok iyi işlemesi bizleri de mutlu etti.”
Tüm Fizik Her Zaman
Zahmetli TMD'leri dize getirmek için demir disiplinli iki sadık fizikçi arasında bir ortaklık gerekir.
Akademisyenler Shan'a her zaman kolay gelirdi. 1970'lerde kıyı eyaleti Zhejiang'da büyüyen yıldız bir öğrenciydi, matematik, fen ve dil alanlarında üstün başarı gösterdi ve Hefei'deki Çin Bilim ve Teknoloji Üniversitesi'nde imrenilen bir yer kazandı. Orada, Çin ve Sovyetler Birliği arasında seçici bir kültürel değişim programına katılmaya hak kazandı ve Moskova Devlet Üniversitesi'nde Rusça ve fizik eğitimi alma şansını yakaladı. “Gençken, dünyayı keşfetmeye heveslisiniz” dedi. "Ben tereddüt etmedim."
Hemen, dünyayı umduğundan daha fazlasını gördü. Vize sorunları Rusya'ya gelişini birkaç ay geciktirdi ve dil programındaki yerini kaybetti. Yetkililer ona başka bir rota buldu ve Moskova'ya indikten kısa bir süre sonra bir trene bindi ve 5,000 kilometre doğuya gitti. Üç gün sonra kışın başlangıcında Sibirya'nın ortasındaki Irkutsk şehrine geldi. "Aldığım tavsiye, 'Asla, asla eldivensiz hiçbir şeye dokunmayın' oldu, yoksa sıkışıp kalır, dedi.
Shan eldivenlerini giymedi, bir sömestrde Rusça öğrendi ve kış manzarasının keskin güzelliğini takdir etmeye başladı. Kurs sona erdiğinde ve kar eridiğinde, fizik eğitimine başlamak için başkente döndü ve 1990 baharında, Sovyetler Birliği'nin dağılmasının ortasında Moskova'ya geldi.
Kaotik yıllardı. Shan, komünistler hükümetin kontrolünü yeniden ele geçirmeye çalışırken, üniversitenin yakınındaki sokaklarda tankların yuvarlandığını gördü. Başka bir durumda, bir final sınavından hemen sonra kavga çıktı. "Silah sesi duyabiliyorduk ve yurttaki ışıkları kapatmamız söylendi" dedi. Yiyecekten tuvalet kağıdına kadar her şey bir kupon sistemiyle karneye bağlandı. Yine de Shan, kargaşaya rağmen araştırmalarına devam eden profesörlerinin esnekliğinden ilham aldı. "Koşullar zordu, ancak bilim adamlarının çoğu bu tür bir tutuma sahipti. Olanlara rağmen yaptıklarını gerçekten seviyorlar” dedi.
Dünya düzeni çökerken, Shan, Columbia'da Heinz'in dikkatini çeken teorik bir optik makale yayınlayarak kendini farklılaştırdı. Onu başvurmaya teşvik etti ve New York'a taşındı ve burada diğer uluslararası öğrencilerin yabancı bir ülkede yerlerini almalarına zaman zaman yardım etti. Örneğin, Wang'ı Heinz'in laboratuvarında çalışması için işe aldı ve deneysel ipuçlarını paylaştı. "Bana nasıl sabırlı olunacağını öğretti," dedi ve "lazerle hayal kırıklığına uğramamayı."
Çoğu araştırmacı, doktora derecesini aldıktan sonra doktora sonrası bir pozisyon alır, ancak Shan 2001 yılında doğrudan doçent olarak Case Western Reserve Üniversitesi'ne katıldı. Birkaç yıl sonra, izinli olarak Heinz'in Columbia'daki laboratuvarına geri döndü. Bir kere, zamanlaması tesadüfiydi. Heinz'in grubundaki Kin Fai Mak'ta çekici ve parlak gözlü bir yüksek lisans öğrencisiyle işbirliği yapmaya başladı.
Mak, New York'a giden daha az çalkantılı farklı bir yol izlemişti. Hong Kong'da büyürken, fizik dışında çok az şey ona mantıklı geldiği için okulda mücadele etti. “Sevdiğim ve gerçekten iyi olduğum tek şey buydu, bu yüzden fiziği seçtim” dedi.
Hong Kong Üniversitesi'ndeki lisans araştırması göze çarpıyordu ve Heinz onu Columbia'nın gelişen yoğun madde fiziği programına katılması için işe aldı. Orada, ara sıra okul içi futbol maçları dışında, uyanık olduğu saatlerin neredeyse tamamını laboratuvarda geçirerek kendini araştırmaya verdi. Mezun bir öğrenci olan Andrea Young (şu anda California Üniversitesi, Santa Barbara'da yardımcı doçent), West 113th Street'te Mak ile bir daire paylaştı. “Sabah 2'de makarna pişirmek ve fizik hakkında konuşmak için onu yakalayabilirsem şanslıydım. Her zaman fizikti, ”dedi Young.
Ama güzel zamanlar uzun sürmedi. Young ile Kolombiya'daki Amazon yağmur ormanlarına yapılan bir geziden kısa bir süre sonra Mak hastalandı. Doktorları, şaşırtıcı test sonuçlarından ne çıkaracağından emin değildi ve daha da hastalandı. Şanslı bir tesadüf hayatını kurtardı. Young, durumu, kendi araştırmasının konusu olan olağandışı bir kan hastalığı olan aplastik aneminin belirtilerini hemen fark eden bir tıp araştırmacısı olan babasına anlattı. Mak, “Her şeyden önce, bu hastalığa yakalanmak gerçekten çok nadir” dedi. "Ve oda arkadaşınızın babasının uzman olduğu bir hastalığa yakalanmak daha da nadirdir."
Young'ın babası, Mak'ın deneysel tedavilere katılmasına yardım etti. Lisansüstü okulunun son yılının çoğunu hastanede geçirdi ve birkaç kez ölümün eşiğine geldi. Bu çile boyunca, Mak'ın fizik tutkusu onu çalışmaya devam etmeye itti. "yazıyordu PRL hastane yatağından mektuplar,” dedi Young, dergiye atıfta bulunarak Physical Review Letters. Heinz, "Tüm bunlara rağmen, gelmiş geçmiş en üretken öğrencilerden biriydi" dedi. "Mucize gibi bir şeydi."
Daha sonraki tedaviler sonunda Mak'ın tamamen iyileşmesine yardımcı oldu. Kendisi de tanınmış bir deneyci olan Young, daha sonra müdahaleleri hakkında espriler yapacaktı, "Arkadaşlarım arasında buna fiziğe en büyük katkım diyorum."
2B Vahşi Doğaya
Mak, 2012 yılında doktora sonrası araştırmacı olarak Cornell'e geçti ve bu sırada Shan, Case Western'e geri dönmüştü. Grafen ve diğer malzemelerle bireysel projeler yürüttüler, ancak TMD'lerin daha fazla sırlarını birlikte çözmeye devam ettiler.
Cornell'de Mak, elektronların hareketini tahmin etmenin optiklerin yanı sıra diğer ana yolu olan elektron taşıma ölçümleri sanatını öğrendi. Bu uzmanlık, onu ve Shan'ı, araştırmacıların tipik olarak bir türde veya diğerinde uzmanlaştığı bir alanda çifte tehdit haline getirdi. Kim, “Fai ve Jie ile ne zaman tanışsam, 'Sizin ulaşım yapmanız haksızlık' diye şikayet ediyorum” dedi. "Ne yapmam gerekiyor?"
İkili TMD'ler hakkında ne kadar çok şey öğrenirse, o kadar ilgi çekici hale geldi. Araştırmacılar tipik olarak elektronların iki özelliğinden birine odaklanır: onların yükü ve dönüşü (veya içsel açısal momentum). Elektrik yükünün akışını kontrol etmek, modern elektroniğin temelidir. Ve elektronların dönüşünü çevirmek, daha küçük alanlara daha fazla bilgi toplayan “spintronics” cihazlarına yol açabilir. 2014 yılında Mak keşfetmeye yardımcı oldu 2D moly disülfid içindeki elektronların özel, üçüncü bir özellik kazanabileceği: Bu elektronlar, belirli miktarlarda momentumla hareket etmelidir, araştırmacıların spekülasyon yaptığı “vadi” olarak bilinen kontrol edilebilir bir özellik, henüz üçüncü bir “valleytronics” teknolojisi alanı doğurabilir.
Aynı yıl, Mak ve Shan, TMD'lerin bir başka çarpıcı özelliğini belirlediler. Elektronlar bir kristal içinde hareket eden tek varlıklar değildir; fizikçiler ayrıca elektronlar başka bir yere sıçradığında oluşan boşlukları "delikler" izler. Bu delikler, gerçek pozitif yüklü parçacıklar gibi bir malzemede dolaşabilir. Pozitif delik, elektron deliği tıkamadan hemen önce, eksiton olarak bilinen kısa süreli bir ortaklık oluşturmak için negatif bir elektronu çeker. Shan ve Mak çekiciliği ölçtü 2D tungsten diselenid elektronlar ve delikler arasında ve tipik bir 3D yarı iletkenden yüzlerce kat daha güçlü buldu. Bulgu, TMD'lerdeki eksitonların özellikle sağlam olabileceğini ve genel olarak elektronların her türlü garip şeyi yapma olasılığının daha yüksek olduğunu ima etti.
Çift, Pennsylvania Eyalet Üniversitesi'nde birlikte pozisyon aldı ve orada bir laboratuvar kurdu. Sonunda TMD'lerin kariyerleri üzerine bahse girmeye değer olduğuna ikna oldular ve materyalleri yeni gruplarının odak noktası haline getirdiler. Onlar da evlendi.
Bu arada, Hone'un Columbia'daki ekibi, grafeni yüksek kaliteli bir yalıtkan olan bor nitrürün üzerine yerleştirdiklerinde özelliklerinin daha da aşırı olduğunu gördü. 2D malzemelerin en yeni yönlerinden birinin erken bir örneğiydi: istiflenebilirlikleri.
Bir 2B malzemeyi diğerinin üzerine koyun ve katmanlar birbirinden bir nanometrenin küçük bir kısmına oturacak - elektronlarının perspektifinden hiç uzaklık yok. Sonuç olarak, istiflenmiş sayfalar etkin bir şekilde tek bir maddede birleşir. Wang, “Sadece iki malzeme bir arada değil” dedi. “Gerçekten yeni bir malzeme yaratıyorsunuz.”
Grafen yalnızca karbon atomlarından oluşurken, çeşitli TMD kafesleri ailesi, istifleme oyununa düzinelerce ek element getiriyor. Her TMD'nin kendine özgü yetenekleri vardır. Bazıları manyetiktir; diğerleri süper iletken. Araştırmacılar, kombine güçleriyle onları moda malzemeleriyle karıştırmayı ve eşleştirmeyi dört gözle bekliyorlardı.
Ancak Hone'un grubu bir yalıtkan üzerine moly disülfid yerleştirdiğinde, yığının özellikleri grafende gördüklerine kıyasla cansız kazançlar gösterdi. Sonunda TMD kristallerinin kalitesini kontrol etmediklerini anladılar. Bazı meslektaşları moly disülfidlerini tek tek atomları çözebilen bir mikroskop altında tutturduklarında hayrete düştüler. Bazı atomlar yanlış yere oturdu, diğerleri ise tamamen kayboldu. 1 kafes bölgesinden 100'inde bazı problemler vardı, bu da kafesin elektronları yönlendirme kabiliyetini engelliyordu. Buna karşılık grafen, kabaca milyon atom başına bir kusurla mükemmelliğin görüntüsüydü. Hone, “Sonunda satın aldığımız şeylerin tamamen çöp olduğunu fark ettik” dedi.
2016 civarında, araştırma sınıfı TMD'leri büyütme işine girmeye karar verdi. Bir doktora sonrası işe aldı, Daniel Rodos, hammadde tozlarını son derece yüksek sıcaklıklarda eriterek ve daha sonra buzul hızında soğutarak kristalleri büyütme deneyimine sahip. Hone, "Sudaki şekerden akide şekeri yetiştirmek gibi" dedi. Yeni süreç, ticari yöntemler için birkaç güne kıyasla bir ay sürdü. Ancak kimyasal kataloglarda satılanlardan yüzlerce hatta binlerce kat daha iyi TMD kristalleri üretti.
Shan ve Mak, Hone'un giderek bozulmayan kristallerinden yararlanmadan önce, elektronları kabul etmeyen mikroskobik pullarla nasıl çalışacaklarını bulmak gibi gösterişsiz bir görevle karşı karşıya kaldılar. Çift elektronları pompalamak için (Mak'ın doktora sonrası edindiği taşıma tekniğinin temeli), sayısız ayrıntıyı saplantı haline getirdi: elektrot için hangi metal türü kullanılacak, onu TMD'den ne kadar uzağa yerleştirecek, hatta hangi kimyasalları yerleştirecek? kontakları temizlemek için kullanın. Elektrotları kurmanın sonsuz yollarını denemek yavaş ve zahmetliydi - "bunu rafine etmek veya yavaş yavaş rafine etmek için zaman alan bir süreç" dedi Mak.
Ayrıca, bir metrenin sadece on milyonda birini ölçen mikroskobik pulların nasıl kaldırılacağını ve istifleneceğini bulmak için yıllarını harcadılar. Bu yeteneğin yanı sıra Hone'un kristalleri ve geliştirilmiş elektrik kontakları ile her şey 2018'de bir araya geldi. Çift, Cornell'de yeni pozisyonlar almak için Ithaca, New York'a taşındı ve laboratuvarlarından bir dizi öncü sonuçlar döküldü.
Cornell'deki atılımlar
Mak ve Shan'ın grubundan bir yüksek lisans öğrencisi olan Zhengchao Xia, bir bor nitrür pulunun karanlık silueti soyulmak ve aşağıdaki silikon yüzeye düşmekle tehdit ederken, "Bugün, bir nedenden dolayı her şeyi almak zor," dedi. Madagaskar şeklindeki levha, Suudi Arabistan'ı andıran bir parça grafite zayıf bir şekilde yapışmıştı, tıpkı yeni sürtünen bir balonun çatırdayan yüzeyine kağıdın yapışması gibi. Grafit, bir cam slayta tutturulmuş yapışkan bir plastik çiy damlasına yapışmıştı. Xia, slaydı kavrayan motorlu bir standı yönlendirmek için bir bilgisayar arayüzü kullandı. Bir atari salonu oyuncusunun bir pençe makinesini bir joystick ile hareket ettirebileceği gibi, fare tıklaması başına metrenin beşte biri oranında yığını dikkatli bir şekilde havaya kaldırdı ve dikkatle bilgisayar ekranına baktı. bor nitrür pulunu başarıyla yakaladı.
O vardı. Birkaç tıklamayla iki katmanlı yığın serbest kaldı ve Xia, pulları yayılan metal elektrotlarla gömülü üçüncü bir malzemeye yerleştirmek için hızlı ama kasıtlı olarak hareket etti. Birkaç tıklamayla yüzeyi ısıttı ve ikimiz de mikroskobik cihazı hapşırmadan önce lamın plastik yapışkanını eritti.
“Her zaman bir kabus görüyorum, öylece ortadan kayboluyor” dedi.
Baştan sona, Xia'nın basit bir cihazın alt yarısını monte etmesi bir saatten fazla sürmüştü - açık yüzlü bir PB&J'ye eşdeğer. Bana yakın zamanda bir araya getirdiği başka bir yığın gösterdi ve TMD'ler tungsten diselenid ve moly ditellürid içeren birkaç malzemeyi karıştırdı. Geçen yıl boyunca yaptığı ve üzerinde çalıştığı düzinelerce mikroskobik sandviçten biri olan bu Dagwood aygıtı, 10 katmandan oluşuyordu ve bir araya getirilmesi birkaç saat sürdü.
Columbia, Massachusetts Institute of Technology, Berkeley, Harvard ve diğer kurumlardaki laboratuvarlarda da yapılan bu 2D malzemelerin istiflenmesi, yoğun madde fizikçilerinin uzun süredir devam eden rüyasının gerçekleşmesini temsil ediyor. Artık araştırmacılar, zeminde bulunan veya bir laboratuarda yavaş yavaş yetiştirilen malzemelerle sınırlı değil. Artık, Lego tuğlalarının atomik eşdeğeri ile oynayabilir, istenen özelliklere sahip ısmarlama yapılar oluşturmak için levhaları bir araya getirebilirler. TMD yapılarının montajı söz konusu olduğunda, çok azı Cornell grubu kadar ileri gitti.
Mak ve Shan'ın Cornell'deki ilk büyük keşfi, 2014'te TMD'lerde gördükleri güçlü bağlı elektron-delik çiftleri olan eksitonlarla ilgiliydi. Eksitonlar fizikçilerin ilgisini çekiyor çünkü bu “yarı parçacıklar”, yoğun madde fiziğinin kalıcı bir hedefine ulaşmak için dolambaçlı bir yol sunabilir: oda sıcaklığında süper iletkenlik.
Eksitonlar, elektron-elektron çiftleriyle aynı tuhaf kurallara göre oynar; bu elektron deliği çiftleri de bozonlar haline gelir ve bu da onların Bose-Einstein yoğunlaşması olarak bilinen ortak bir kuantum durumuna "yoğunlaşmasını" sağlar. Bu uyumlu kuasipartiküller sürüsü, süperakışkanlık, dirençsiz akma yeteneği gibi kuantum özellikleri gösterebilir. (Bir süperakışkan elektrik akımı taşıdığında, süper iletkendir.)
Ancak itici elektronların aksine elektronlar ve delikler çiftleşmeyi sever. Araştırmacılar, bunun potansiyel olarak yapıştırıcılarını daha güçlü hale getirdiğini söylüyor. Eksiton bazlı süperiletkenliğin zorlukları, elektronun deliği doldurmasını ve elektriksel olarak nötr çiftlerin bir akımda akmasını sağlamakta yatar - hepsi mümkün olduğunca sıcak bir odada. Şimdiye kadar, Mak ve Shan ilk sorunu çözdüler ve ikincisini çözmek için bir planları var.
Atom bulutları, güçlü lazerlerle mutlak sıfırın üzerinde bir saç teline kadar soğutularak kondensatlar oluşturmak üzere birleştirilebilir. Ancak teorisyenler, eksitonların yoğunlaşmasının daha yüksek sıcaklıklarda oluşabileceğinden uzun süredir şüpheleniyorlardı. Cornell grubu, istiflenebilir TMD'leriyle bu fikri gerçeğe dönüştürdü. İki katmanlı bir sandviç kullanarak, üst katmana fazladan elektronlar yerleştirdiler ve alttan elektronları çıkararak delikler bıraktılar. Elektronlar ve delikler eşleşerek, elektronların ortaklarını nötralize etmek için zıt katmana atlamakta zorlandıkları için uzun ömürlü eksitonlar oluşturur. Ekim 2019'da grup bildirilen işaretler 100 kelvin'de eksiton kondensat. Bu kurulumda, eksitonlar, bu tür kuasipartikül için bir ömür boyu, onlarca nanosaniye boyunca devam etti. 2021 sonbaharında, grup, eksitonların milisaniyeler boyunca sürdüğü ve Mak'ın "pratik olarak sonsuza kadar" dediği gelişmiş bir aparat tanımladı.
Ekip şimdi peşinde bir şema 2008 yılında teorisyenler tarafından bir eksiton akımı yaratmak için uyduruldu. Alan MacDonaldAustin, Texas Üniversitesi'nde önde gelen bir yoğun madde teorisyeni ve yüksek lisans öğrencisi Jung-Jung Su, hem elektronları hem de delikleri aynı yönde hareket etmeye teşvik edecek şekilde yönlendirilmiş bir elektrik alanı uygulayarak nötr eksitonların akmasını önerdi. Laboratuarda bunu başarmak için Cornell grubu bir kez daha daimi düşmanları olan elektrik bağlantılarıyla boğuşmak zorundadır. Bu durumda, bazıları eksitonları üretmek için ve diğerleri onları hareket ettirmek için TMD katmanlarına birden fazla elektrot seti bağlamaları gerekir.
Shan ve Mak, yakında 100 kelvin'e kadar akan eksitonları alma yolunda olduklarına inanıyorlar. Bu, bir kişi için soğuk bir oda (−173 santigrat derece veya −280 derece Fahrenheit), ancak çoğu bozonik yoğunlaşmanın ihtiyaç duyduğu nanokelvin koşullarından büyük bir sıçrama.
Mak kurnaz bir gülümsemeyle, "Sıcaklığı milyarlarca kez ısıtmak, tek başına güzel bir başarı olacak," dedi.
Büyülü Hareli Malzemeler
2018'de Cornell laboratuvarı TMD deneylerini hızlandırırken, başka bir grafen sürprizi ikinci bir 2D malzeme devrimi başlattı. Pablo Jarillo-HerreroMIT'de bir araştırmacı ve başka bir Columbia alum, bir grafen tabakasını aşağıdaki katmana göre bükmenin büyülü yeni bir 2D malzeme yarattığını duyurdu. İşin sırrı, üst katmanı, altıgenleri hafif bir "bükülme" ile inecek ve aşağıdaki altıgenlere karşı tam olarak 1.1 derece döndürülecek şekilde düşürmekti. Bu açı yanlış hizalanması, bir malzeme üzerinde hareket ettikçe büyüyen ve küçülen atomlar arasında bir kaymaya neden olarak, hareli süper örgü olarak bilinen yinelenen bir büyük "süper hücre" deseni oluşturur. MacDonald ve bir meslektaşı 2011 yılında hesaplandı 1.1 derecelik "sihirli açıda", süper örgünün benzersiz kristal yapısının, grafenin elektronlarını yavaşlamaya ve komşularının itişini algılamaya zorlayacağını söyledi.
Elektronlar birbirlerinden haberdar olduklarında garip şeyler olur. Normal yalıtkanlarda, iletkenlerde ve yarı iletkenlerde elektronların yalnızca atomların kafesi ile etkileştiği düşünülür; birbirlerini fark edemeyecek kadar hızlı koşarlar. Ancak yavaşlayan elektronlar birbirlerini itip kakabilir ve toplu olarak bir dizi egzotik kuantum durumu üstlenebilir. Jarillo-Herrero'nun deneyleri şunu gösterdi: çok az anladım, çok az anlamak nedenlerle, bükülmüş, sihirli açılı grafen içindeki bu elektrondan elektrona iletişim, bir özellikle güçlü süperiletkenlik formu.
Grafen moiré superlattice, araştırmacıları elektronları kontrol etmenin yeni ve radikal bir yolunu da tanıttı. Süper örgüde, elektronlar tek tek atomlardan habersiz hale gelir ve süper hücreleri dev atomlarmış gibi deneyimler. Bu, süper hücreleri toplu kuantum durumları oluşturmak için yeterli elektronla doldurmayı kolaylaştırır. Jarillo-Herrero'nun grubu, süper hücre başına ortalama elektron sayısını yukarı veya aşağı çevirmek için bir elektrik alanı kullanarak, bükülmüş çift katmanlı grafen cihazlarını bir süper iletken olarak işlev görmesini sağladı. bir yalıtkanveya bir göster sal diğer, yabancı elektron davranışları.
Dünyanın dört bir yanındaki fizikçiler, yeni ortaya çıkan “twistronik” alanına koştular. Ancak birçoğu bükülmenin zor olduğunu buldu. Atomların "sihirli" 1.1 derecelik yanlış hizalamaya düzgün bir şekilde düşmeleri için hiçbir sebep yoktur, bu nedenle tabakalar özelliklerini tamamen değiştirecek şekilde kırışırlar. Cornell lisansüstü öğrencisi Xia, diğer üniversitelerde bükülmüş cihazlarla çalışan bir grup arkadaşı olduğunu söyledi. Çalışan bir cihaz oluşturmak genellikle düzinelerce denemeyi gerektirir. Ve o zaman bile, her cihaz farklı davranır, bu nedenle belirli deneylerin tekrarlanması neredeyse imkansızdır.
TMD'ler, hareli süper örgüler oluşturmanın çok daha kolay bir yolunu sunar. Farklı TMD'ler farklı boyutlarda altıgen kafeslere sahip olduğundan, biraz daha büyük altıgenlerden oluşan bir kafesin daha küçük bir kafes üzerine istiflenmesi, tıpkı açı yanlış hizalamasında olduğu gibi bir hareli deseni oluşturur. Bu durumda, katmanlar arasında rotasyon olmadığı için yığının yerine oturması ve hareketsiz kalması daha olasıdır. Xia, bir TMD hareli cihazı oluşturmaya başladığında, genellikle beşte dördünde başarılı olduğunu söyledi.
TMD hareli malzemeleri, elektron etkileşimlerini keşfetmek için ideal oyun alanları oluşturur. Materyaller yarı iletken olduklarından, grafendeki çılgın elektronların aksine, malzemelerin içinden geçerken elektronları ağırlaşır. Ve devasa hareli hücreler onları daha da yavaşlatır: Elektronlar genellikle atomlar arasında ışınlanmaya benzer bir kuantum mekaniksel davranış olan "tünelleme" yoluyla hareket ederken, süper hücreler içlerindeki atomlardan kabaca 100 kat daha uzakta oturduklarından tünelleme hareli bir kafeste nadiren olur. . Mesafe elektronların yerleşmesine yardımcı olur ve onlara komşularını tanıma şansı verir.
Shan ve Mak'ın dostça rakibi Feng Wang, TMD hareli süper kafeslerin potansiyelini ilk fark edenlerden biriydi. Zarfın arkası hesaplamaları, bu malzemelerin elektronların organize edebileceği en basit yollardan birine yol açması gerektiğini ileri sürdü - Wigner kristali olarak bilinen, karşılıklı itmenin uyuşuk elektronları yerine kilitlediği bir durum. Wang'ın ekibi gördü bu tür devletlerin işaretleri 2020 yılında yayınlandı ve ilk resim birbirini kol mesafesinde tutan elektronların Tabiat O zamana kadar, Wang'ın TMD hareli faaliyetleri sıkı sıkıya bağlı 2021D fizik topluluğunda çoktan yayılmıştı ve Cornell TMD fabrikası kendi TMD hareli cihazlarını üretiyordu. Shan ve Mak ayrıca 2'de TMD süper örgülerinde Wigner kristalleri için kanıt bildirdiler ve aylar içinde cihazlarındaki elektronların neredeyse her zaman kristalleşebileceğini keşfettiler. iki düzine farklı Wigner kristal deseni.
Aynı zamanda, Cornell grubu ayrıca TMD hareli malzemeleri bir elektrikli alete dönüştürüyordu. MacDonald ve işbirlikçileri tahmin etmişti 2018'de bu cihazların, yoğun madde fiziğindeki en önemli oyuncak modellerinden birini mükemmel bir şekilde temsil etmelerini sağlamak için doğru teknik özellikler kombinasyonuna sahip olduğunu söyledi. Hubbard modeli, çok çeşitli elektron davranışlarını anlamak için kullanılan teorik bir sistemdir. Bağımsız olarak teklif edildi Martin Gutzwiller, Junjiro Kanamori ve John Hubbard tarafından 1963'te ortaya atılan model, fizikçilerin pratikte sonsuz çeşitlilikteki kristal kafesleri en temel özelliklerine kadar soymaya yönelik en iyi girişimidir. Elektronları barındıran bir atom ızgarası hayal edin. Hubbard modeli, her elektronun iki rakip kuvvet hissettiğini varsayar: Komşu atomlara tünel açarak hareket etmek ister, ancak komşuları tarafından da itilir, bu da olduğu yerde kalmak istemesine neden olur. Hangi arzunun en güçlü olduğuna bağlı olarak farklı davranışlar ortaya çıkar. Hubbard modeliyle ilgili tek sorun, en basit durumda - 1 boyutlu bir atom dizisi - dışında matematiksel olarak çözülemez olmasıdır.
MacDonald ve meslektaşlarına göre, TMD hareli malzemeleri Hubbard modelinin “simülatörleri” olarak hareket edebilir ve potansiyel olarak elektronları kupratlarda süper iletken çiftlere bağlayan yapıştırıcının doğası gibi alanın en derin gizemlerinden bazılarını çözebilir. İmkansız bir denklemle uğraşmak yerine, araştırmacılar elektronları bir TMD sandviçinde serbest bırakabilir ve ne yaptıklarını görebilirler. MacDonald, "Bu modeli yazabiliriz, ancak birçok önemli soruyu yanıtlamak çok zor" dedi. "Şimdi bunu sadece bir deney yaparak yapabiliriz. Bu gerçekten çığır açan bir şey.”
Hubbard model simülatörlerini oluşturmak için Shan ve Mak, bir hareli süper örgü oluşturmak için tungsten diselenid ve tungsten sülfit katmanlarını üst üste dizdiler ve TMD sandviçinden geçen bir elektrik alanını yukarı veya aşağı çevirmek için elektrotlar bağladılar. Elektrik alanı, her bir süper hücreyi kaç elektronun dolduracağını kontrol ediyordu. Hücreler dev atomlar gibi davrandığından, süper hücre başına bir elektrondan iki elektrona geçmek, bir hidrojen atomu kafesini bir helyum atomu kafesine dönüştürmek gibiydi. onların içinde ilk Hubbard modeli yayını in Tabiat Mart 2020'de atomları iki elektrona kadar simüle ettiklerini bildirdiler; bugün sekize kadar çıkabilirler. Bir anlamda, kurşunu altına çevirmenin eski amacını gerçekleştirmişlerdi. "Bu, kimyayı ayarlamak gibi," dedi Mak, "periyodik tablodan geçmek." Prensip olarak, her biri 1.38 elektron içeren bir hayali atom ızgarası bile oluşturabilirler.
Daha sonra grup, yapay atomların kalplerine baktı. Daha fazla elektrotla, dev sentetik atomların merkezlerine pozitif protonlar eklemeye benzer değişiklikler yaparak süper hücrelerin “potansiyelini” kontrol edebilirler. Bir çekirdeğin yükü ne kadar fazlaysa, elektronların tünelden uzaklaşması o kadar zor olur, dolayısıyla bu elektrik alanı onların zıplama eğilimini artırıp azaltmasına izin verir.
Mak ve Shan'ın dev atomlar üzerindeki kontrolü - ve dolayısıyla Hubbard modeli - tamamlandı. TMD hareli sistemi, doğada bulunmayanlar da dahil olmak üzere, yapay atomlardan oluşan bir ızgarayı toplamalarına ve onları istedikleri gibi sorunsuz bir şekilde dönüştürmelerine olanak tanır. Bu alandaki diğer araştırmacılar için bile sihirle sınırlanan bir güç. Kim, “En heyecan verici ve etkileyici çabalarını seçecek olsaydım, bu o” dedi.
Cornell grubu, 70 yıllık bir tartışmayı çözmek için tasarımcı atomlarını hızla kullandı. Soru şuydu: Ya bir yalıtkan alıp atomlarını değiştirerek onu iletken bir metale dönüştürebilseydiniz? Değişim yavaş yavaş mı yoksa aniden mi olacak?
Shan ve Mak, hareli simyalarıyla düşünce deneyini laboratuvarlarında gerçekleştirdiler. İlk önce elektronları yakalayan ağır atomları simüle ettiler, böylece TMD süper kafesi bir yalıtkan gibi davrandı. Sonra atomları küçülttüler, elektronlar özgürlüğe sıçrayabilene kadar tuzağı zayıflattılar ve süper örgünün iletken bir metal haline gelmesine izin verdiler. Üst kafes giderek bir metal gibi hareket ederken, kademeli olarak düşen bir elektrik direncini gözlemleyerek, geçişin ani olmadığını gösterdiler. Bu bulgu, hangi ilan ettiler in Tabiat geçen yıl, süper örgünün elektronlarının uzun süredir aranan bir akışkanlık türü olarak bilinen bir akışkanlık elde edebilme olasılığını ortaya çıkardı. kuantum spin sıvı. Mak, "Birinin üstesinden gelebileceği en ilginç sorun bu olabilir," dedi.
Neredeyse aynı zamanda, çift, bazı fizikçilerin şimdiye kadarki en önemli keşiflerini düşündükleri şeye şanslıydı. Mak, "Aslında tam bir kazaydı," dedi. “Kimse beklemiyordu.”
Hubbard simülatör araştırmalarına başladıklarında, araştırmacılar, iki katmandaki altıgenlerin, geçiş metallerinin üzerinde geçiş metalleri ve kalkojenitlerin üzerinde kalkojenitlerle hizalandığı TMD sandviçlerini kullandılar. (İşte o zaman kademeli olarak yalıtkandan metale geçişi keşfettiler.) Sonra tesadüfen, üst katmanın geriye doğru istiflendiği cihazlarla deneyi tekrarladılar.
Daha önce olduğu gibi, elektronlar sıçramaya başladığında direnç düşmeye başladı. Ama sonra aniden düştü, o kadar alçaldı ki araştırmacılar harenin süper iletken olmaya başlayıp başlamadığını merak etti. Yine de daha fazlasını araştırıyorlar, nadir bir direnç paternini ölçtü Kuantum anormal Hall etkisi olarak bilinir - daha da tuhaf bir şeyin olduğunun kanıtı. Etki, cihazın kristal yapısının, malzemenin kenarı boyunca elektronları merkezdekilerden farklı davranmaya zorladığını gösterdi. Cihazın ortasında, elektronlar yalıtkan bir durumda tutuldu. Ancak çevre boyunca, bir yönde aktılar - süper düşük direnci açıklıyorlar. Kazara, araştırmacılar Chern yalıtkanı olarak bilinen son derece sıra dışı ve kırılgan bir madde türü yaratmışlardı.
Kuantum anormal hall etkisi, ilk kez 2013'de gözlendi, genellikle sıcaklık bir kelvin'in birkaç yüzdesinin üzerine çıkarsa dağılır. 2019'da Young'ın Santa Barbara'daki grubu bunu görmüştü. tek seferlik bükülmüş grafen sandviç yaklaşık 5 kelvin. Şimdi Shan ve Mak, etkiyi hemen hemen aynı sıcaklıkta, ancak herkesin yeniden oluşturabileceği bükümsüz bir TMD cihazında elde etmişti. Young, "Bizimki daha yüksek bir sıcaklıktı, ama ben onlarınkini her gün alacağım çünkü arka arkaya 10 kez yapabilirler" dedi. Bu, onu anlayabileceğiniz ve “gerçekten bir şeyler yapmak için kullanabileceğiniz” anlamına gelir.
Mak ve Shan, biraz kurnazlıkla, 50 veya 100 kelvin'e kadar dayanabilen Chern izolatörleri oluşturmak için TMD hareli malzemeleri kullanabileceklerine inanıyorlar. Başarılı olurlarsa, çalışma, akımın dirençsiz bir şekilde akmasını sağlamanın başka bir yolunu bulabilir - en azından küçük “nano teller” için, hatta bir cihazın belirli yerlerinde açıp kapatabilirler.
Flatland'de keşif
Dönüm noktası sonuçları yığılırken bile, çift yavaşlama belirtisi göstermiyor. Ziyaret ettiğim gün, Mak, öğrencilerin cihazlarını şimdiye kadar çalıştıklarından bin kat daha soğuk sıcaklıklara soğutmalarına izin verecek yüksek seyreltme buzdolabını kurcalarken baktı. “Daha sıcak” koşullarda keşfedilecek o kadar çok fizik vardı ki, grubun daha derin kriyojenik alemde süperiletkenlik belirtileri için kapsamlı bir araştırma yapma şansı olmadı. Süper buzdolabı, TMD'lerin süper iletkenliğine izin verirse, bu, başka bir soruyu cevaplayacaktır. cupratlara özgü bir manyetizma biçimi (ancak TMD'lerde bulunmayan) elektron bağlayıcı yapıştırıcının temel bir bileşeni değildir. Mak, "Bu, teorisyenlerin uzun süredir gerçekten öldürmek istediği önemli bileşenlerden birini öldürmek gibi bir şey" dedi.
O, Shan ve grupları, daha eğlenceli TMD'lerin bazılarını denemeye başlamadı bile. 2D malzemeler kıtasında hareket etmek için gereken ekipmanı icat etmek için yıllarını harcadıktan sonra, nihayet 2010'da indikleri moly disülfid sahil başının ötesine geçmeye hazırlanıyorlar.
İki araştırmacı, başarılarını Columbia'da özümsedikleri bir işbirliği kültürüne bağlıyor. Onları moly disülfid ile tanıştıran Hone ile ilk işbirliğinin, meraklarının peşinden gitmekte özgür oldukları için yararlandıkları birçok fırsattan sadece biri olduğunu söylüyorlar. Shan, planlarını laboratuvarlarının başkanı Heinz ile “tartışmamız gerekmedi” dedi. “Diğer gruplardan insanlarla konuştuk. Deneyleri yaptık. Hatta konuyu kapattık.”
Bugün, Cornell'de benzer şekilde rahat bir ortamı teşvik ediyorlar; burada, hepsi kendi işlerini yapmakta büyük ölçüde özgür olan birkaç düzine doktora sonrası araştırmacıyı ve araştırmacıları ve öğrencileri ziyaret ediyorlar. Mak, "Öğrenciler çok akıllı ve iyi fikirleri var" dedi. "Bazen karışmak istemezsin."
Evlilikleri de laboratuvarlarını benzersiz kılıyor. İkisi kişisel güçlerine yaslanmayı öğrendi. Bir deneyci olarak bol miktarda yaratıcılığın yanı sıra Shan, onu iyi bir yönetici yapan dikkatli bir disipline sahiptir; üçümüz konuşurken, fizik tutkusu onu teknik konulara çok fazla ittiğinde, sık sık “Profesör Fai”yi tekrar yoluna soktu. Mak, kendi adına, hem laboratuvar içinde hem de dışında, kariyerinin başındaki araştırmacılarla birlikte çalışmaktan keyif alıyor. Son zamanlarda grupla birlikte kaya tırmanışına başladı. Young, “Laboratuvarları onların ailesi gibi görünüyor” dedi. Shan ve Mak, birlikte yapabileceklerinden daha fazlasını başardıklarını söylediler. Mak, "Bir artı bir, ikiden fazladır," dedi.
İnşa ettikleri cihazlar, parçalarının toplamından daha fazla birikebilir. Araştırmacılar, eksitonlar ve hareli süper örgüler oluşturmak için TMD levhalarını bir araya getirdikçe, elektronları evcilleştirmenin yeni yollarının teknolojiyi nasıl güçlendirebileceği hakkında spekülasyonlar yapıyorlar. Cebe hazır süper iletkenlik zor olsa bile, Bose-Einstein yoğuşmaları ultra hassas kuantum sensörlerine yol açabilir ve Chern benzeri yalıtkanların daha iyi kontrolü mümkün olabilir. güçlü kuantum bilgisayarlar. Ve bunlar sadece bariz fikirler. Malzeme bilimindeki artan gelişmeler, çoğu zaman çok azının geldiğini gördüğü radikal uygulamalara katkıda bulunur. Örneğin, transistörü geliştiren araştırmacılar, tırnak boyutunda bir çipe doldurulmuş milyarlarca mikroskobik anahtarla çalışan akıllı telefonları tahmin etmek için mücadele edeceklerdi. Laboratuar tezgahlarında ışık taşıyabilecek cam elyafları tasarlamaya çalışan bilim adamları, 10,000 kilometrelik denizaltı optik fiberlerinin bir gün kıtaları birbirine bağlayacağını öngöremezlerdi. İki boyutlu malzemeler benzer şekilde öngörülemeyen yönlerde gelişebilir. Heinz, "Gerçekten yeni bir malzeme platformu, mevcut malzemeleri değiştirmek yerine kendi uygulamalarını üretiyor" dedi.
Beni Ithaca otobüs durağına götürürken, Shan ve Mak bana Kanada'nın Banff kentine gittikleri (ve nadir) bir tatilden bahsettiler ve burada bir kez daha çaba ve şansın bir karışımıyla sürprizlere rastlama hünerlerini sergilediler. Bir ayıyı tespit etmek için boşuna günlerini harcamışlardı. Daha sonra, yolculuğun sonunda, havaalanına giderken bir botanik rezervinde bacaklarını uzatmak için durdular ve kendilerini siyah bir ayı ile karşı karşıya buldular.
Benzer şekilde, yoğun madde fiziği ile yaklaşımları, yeni bir manzarada birlikte dolaşmak ve neyin ortaya çıktığını görmek. Mak, "Çok fazla teorik rehberimiz yok, ancak sadece dalga geçiyor ve deneylerle oynuyoruz" dedi. "Başarısız olabilir, ancak bazen çok beklenmedik bir şeyle karşılaşabilirsiniz."
