Молібденіт навіть для досвідченого ока виглядає майже ідентично графіту — блискучий сріблястий кристал. Він також діє так само, видаляючи пластівці таким чином, щоб створити гарну начинку для олівця. Але для електрона дві сітки атомів утворюють різні світи. Ця відзнака вперше ввійшла в науковий облік 244 роки тому. Карл Шеєле, шведський хімік, відомий своїм відкриттям кисню, занурив кожен мінерал у різноманітні кислоти та спостерігав за моторошними хмарами газу, які хвилювалися. Шеєле, який зрештою заплатив за такий підхід своїм життям, померши від передбачуваного отруєння важкими металами у 43 роки, дійшов висновку, що молібденіт був новою речовиною. Описуючи його в листі до Королівської шведської академії наук у 1778 році, він писав: «Я маю на увазі не загальновідомий графіт, який можна придбати в аптеці. Цей перехідний метал, здається, невідомий».
Молібденіт, схильний розпадатися на порошкоподібні фрагменти, став популярним мастильним матеріалом у 20 столітті. Це допомогло лижам ковзати далі по снігу та згладило вихід куль із стволів рушниць у В’єтнамі.
Сьогодні ця сама нестабільність підживлює фізичну революцію.
Прориви почалися з графіту та скотчу. Дослідники випадково виявили в 2004 році, що вони можуть використовувати стрічку для відклеювання пластівців графіту товщиною всього в один атом. Ці кристалічні листи, кожен з яких є плоским масивом атомів вуглецю, мали дивовижні властивості, які радикально відрізнялися від властивостей тривимірних кристалів, з яких вони походять. Графен (як його охрестили першовідкривачі) був абсолютно новою категорією речовини — двовимірним матеріалом. Його відкриття змінило фізику конденсованого середовища, галузь фізики, яка прагне зрозуміти численні форми та поведінку матерії. Майже половина з усіх фізиків є фізики конденсованих середовищ; це підсфера, яка принесла нам комп’ютерні чіпи, лазери, світлодіодні лампи, апарати МРТ, сонячні батареї та всілякі сучасні технологічні чудеса. Після відкриття графену тисячі фізиків конденсованого середовища почали вивчати новий матеріал, сподіваючись, що він стане основою майбутніх технологій.
Відкривачі графену отримали Нобелівську премію з фізики в 2010 році. Того ж року двоє молодих фізиків з Колумбійського університету Цзе Шань та Кін Фай Мак, побачив ознаки того, що пластівці молібденіту можуть бути навіть більш магічними, ніж графен. Менш відомий мінерал має властивості, через які його важко вивчати — занадто важко для багатьох лабораторій, — але він захопив Шана та Мака. Наполегливий дует присвятив майже десять років суперечці 2D-молібденіту (або дисульфіду молібдену, як називається вирощена в лабораторії версія кристала) і сімейства близькоспоріднених 2D-кристалів.
Тепер їхні зусилля окупаються. Шан і Мак, які зараз одружені та керують спільною дослідницькою групою в Корнельському університеті, показали, що двовимірні кристали дисульфіду молібдену та його родичів можуть породжувати величезну кількість екзотичних квантових явищ. "Це божевільний ігровий майданчик", - сказав Джеймс Хоун, дослідник з Колумбійського університету, який постачає лабораторію Корнелла високоякісними кристалами. «Ви можете зробити всю сучасну фізику конденсованого середовища в одній матеріальній системі».
Група Шана і Мака зафіксувала електрони, які поводяться безпрецедентно в цих плоских кристалах. Вони змусили частинки злитися в квантову рідину та замерзнути в набір льодоподібних структур. Вони навчилися збирати сітки з гігантських штучних атомів, які тепер служать тестовими стендами для фундаментальних теорій матерії. З моменту відкриття своєї лабораторії Корнелла в 2018 році майстерні приборкувачі електронів опублікували вісім карколомних статей у природа, найпрестижнішого журналу в науці, а також безліч інших статей. Теоретики кажуть, що пара розширює розуміння того, на що здатні натовпи електронів.
Їхні дослідження «дуже вражають у багатьох аспектах». Філіп Кім, видатний фізик конденсованих систем у Гарвардському університеті. «Це, я б сказав, сенсаційне».
Розвиток 2D матеріалів
Атрибути матеріалу зазвичай відображають те, що роблять його електрони. У таких провідниках, як метали, наприклад, електрони легко переміщуються між атомами, переносячи електрику. В ізоляторах, таких як дерево та скло, електрони залишаються на місці. Напівпровідники, такі як кремній, знаходяться між ними: їхні електрони можуть рухатися за допомогою припливу енергії, що робить їх ідеальними для вмикання та вимикання струму — робота транзистора. За останні 50 років, окрім цих трьох основних способів поведінки електронів, фізики конденсованого середовища спостерігали, як легкі заряджені частинки поводяться ще багатьма екзотичними способами.
Один із найбільш драматичних сюрпризів стався в 1986 році, коли два дослідники IBM, Георг Беднорц і Алекс Мюллер, виявлено струм електронів, що рухаються крізь кристал оксиду міді («купрату») без будь-якого опору. Ця надпровідність — здатність електрики протікати з ідеальною ефективністю — була помічена раніше, але лише з добре зрозумілих причин у матеріалах, охолоджених до кількох градусів абсолютного нуля. Цього разу Беднорц і Мюллер спостерігали загадкову форму явища, яке зберігалося при рекордних 35 кельвінах (тобто 35 градусів вище абсолютного нуля). Невдовзі вчені виявили інші купрати, які мають надпровідність вище 100 кельвінів. Народилася мрія, яка залишається, мабуть, головною метою фізики конденсованих середовищ сьогодні: знайти або розробити речовину, яка може надпровіднити електрику в нашому гарячому, приблизно 300-кельвіновому світі, створюючи лінії електропередач без втрат, левітаційні транспортні засоби та інші надефективні пристрої, які істотно скоротила б енергетичні потреби людства.
Ключ до надпровідності полягає в тому, щоб спонукати електрони, які зазвичай відштовхуються один від одного, об’єднуватися в пари й утворювати сутності, відомі як бозони. Потім бозони можуть разом зливатися в квантову рідину без тертя. Сили притягання, які створюють бозони, такі як коливання атомів, зазвичай можуть подолати відштовхування електронів лише за кріогенних температур або високий тиск. Але потреба в цих екстремальних умовах завадила надпровідності знайти свій шлях до повсякденних пристроїв. Відкриття купратів породило надію на те, що правильна атомна решітка зможе «склеїти» електрони настільки міцно, що вони залишаться застряглими навіть за кімнатної температури.
Через 40 років після відкриття Беднорца та Мюллера теоретики все ще не зовсім впевнені, як працює клей у купратах, а тим більше, як налаштувати матеріали, щоб зміцнити його. Таким чином, більшість досліджень у фізиці конденсованого середовища — це полювання методом проб і помилок на кристали, які можуть утримувати свої електрони в парах або пасти електрони іншими дивовижними способами. «Конденсована речовина — це розділ фізики, який допускає випадкові випадки», — сказав Кім. Таким було відкриття 2004D матеріалів у 2 році.
Андре Гейм та Костянтин Новоселов, який працює з графітом в Університеті Манчестера у Великобританії, відкритий шокуючий наслідок лущення матеріалу. Кристал графіту містить атоми вуглецю, розташовані в нещільно зв’язані листи шестикутників. Теоретики давно передбачали, що без стабілізуючого впливу стека вібрації, спричинені теплом, розіб’ють одношаровий лист. Але Гейм і Новосьолов виявили, що вони можуть відклеїти стійкі, атомарно тонкі аркуші лише за допомогою скотча та наполегливості. Графен був першим по-справжньому плоским матеріалом — площиною, на якій електрони можуть ковзати навколо, але не вгору-вниз.
Хоун, фізик з Колумбійського університету, виявив, що найтонший матеріал у світі якимось чином також найсильніший. Це було надзвичайним розладом для матеріалу, який, на думку теоретиків, взагалі не підійде.
Що найбільше зацікавило фізиків у графені, так це те, як вуглецева равнина перетворює електрони: ніщо не може сповільнити їх. Електрони часто стикаються з решіткою атомів, через яку вони рухаються, діючи важче, ніж їх маса (нерухомі електрони ізолятора діють так, ніби вони мають нескінченну масу). Однак плоска решітка графена дозволяє електронам рухатися зі швидкістю мільйон метрів за секунду — лише в кілька сотень разів повільніше, ніж швидкість світла. З такою постійною блискавичною швидкістю електрони летіли так, ніби вони взагалі не мали маси, благословляючи графен надзвичайною (хоча й не супер) провідністю.
Навколо диво-матеріалу виросло ціле поле. Дослідники також почали мислити ширше. Чи можуть двовимірні пластівці інших речовин мати власні надздібності? Хоун був серед тих, хто розгалужувався. У 2 році він виміряв деякі механічні властивості двійника графіту, дисульфіду молібдену, а потім передав кристал двом фахівцям з оптики в лабораторії Тоні Хайнца в Колумбії. Це був випадковий крок, який змінив кар’єри всіх учасників.
Зразок дисульфіду молібдену потрапив до рук Цзе Шань, запрошеного професора на початку її кар’єри, та Кін Фай Мак, аспіранта. Молодий дует вивчав, як графен взаємодіє зі світлом, але вони вже почали мріяти про інші матеріали. Швидкі електрони графена роблять його фантастичним провідником, але вони хотіли отримати двовимірний напівпровідник — матеріал, потік електронів якого можна вмикати та вимикати, і який, отже, міг би служити транзистором.
Відомо, що дисульфід молібдену є напівпровідником. А Шан і Мак невдовзі виявили, що, як і графіт, він отримав додаткові сили у 2D. Коли вони направили лазер на тривимірні кристали «молідисульфіду» (як вони його ласкаво називають), кристали залишилися темними. Але коли Шан і Мак зривали шари скотчем, вдаряли по них лазером і досліджували під мікроскопом, вони побачили, що двовимірні листи яскраво сяють.
Пізніше дослідження інших груп підтвердили, що якісно виготовлені листи з тісно пов’язаного матеріалу відбивають кожен фотон, який на них потрапляє. «Це неймовірно, — сказав Мак нещодавно, коли я зустрів його та Шана в їхньому спільному офісі в Корнелі. «У вас є лише один аркуш атомів, і він може відбивати 100% світла, як ідеальне дзеркало». Вони зрозуміли, що ця властивість може призвести до вражаючих оптичних пристроїв.
незалежно, Фен Ван, фізик з Каліфорнійського університету в Берклі, зробив таке ж відкриття. Увагу спільноти привернув 2D-матеріал із високим відбиттям і напівпровідником. обидві групи опублікували свої висновки у 2010 році; З тих пір документи отримали понад 16,000 2 цитат між собою. «Усі, хто має лазери, почали дуже цікавитися XNUMXD-матеріалами», — сказав Хоун.
Визначивши дисульфід молі як другий дивовижний 2D-матеріал, дві групи вийшли на цілий континент 2D-матеріалів. Молі дисульфід належить до сімейства речовин, відомих як дихалькогеніди перехідних металів (TMD), у яких атоми металевої середньої області періодичної таблиці, наприклад молібден, з’єднуються з парами хімічних сполук, відомих як халькогеніди, наприклад сірка. Молі дисульфід є єдиним природним TMD, але вони є ще десятки які дослідники можуть виготовити в лабораторіях — дисульфід вольфраму, дітеллурид молібдену тощо. Більшість утворює слабкі аркуші, що робить їх чутливими до ділової сторони шматка стрічки.
Однак початкова хвиля ажіотажу незабаром спала, оскільки дослідники намагалися змусити TMD зробити більше, ніж сяяти. Група Вана, наприклад, відмовилася від графену після того, як виявила, що вони не можуть легко приєднати металеві електроди до дисульфіду молі. «Це було каменем спотикання для нашої групи протягом багатьох років», — сказав він. «Навіть зараз ми не дуже вміємо налагоджувати контакт». Здавалося, що головна перевага TMD над графеном також є їхньою найбільшою слабкістю: щоб вивчити електронні властивості матеріалу, дослідники повинні часто штовхати в нього електрони та вимірювати опір результуючого струму. Але оскільки напівпровідники є поганими провідниками, електрони важко ввести або вивести.
Мак і Шан спочатку почувалися неоднозначно. «Було дуже незрозуміло, чи варто нам продовжувати працювати над графеном чи почати працювати над цим новим матеріалом», — сказав Мак. «Але оскільки ми виявили, що він має таку гарну властивість, ми продовжили робити ще кілька експериментів».
Під час роботи двоє дослідників дедалі більше захоплювалися дисульфідом молі та один одним. Спочатку їхні контакти були професійними, здебільшого обмежуючись електронними листами, спрямованими на дослідження. «Фай часто запитував: «Де це обладнання?» Куди ти це поклав?», — сказав Шан. Але зрештою їхні стосунки, які тривали довгі години й каталізувалися експериментальним успіхом, перетворилися на романтичні. «Ми просто бачилися надто часто, буквально в одній лабораторії, працюючи над одним проектом», — сказав Мак. «Проект, який працює дуже добре, також зробив нас щасливими».
Вся фізика весь час
Потрібне партнерство між двома відданими фізиками із залізною дисципліною, щоб подолати проблемні TMDs.
Вчені завжди легко доходили до Шана. Виросла в 1970-х роках у прибережній провінції Чжецзян, вона була найкращою студенткою, видатною в математиці, природничих науках і мові та здобувши бажане місце в Науково-технологічному університеті Китаю в Хефеї. Там вона взяла участь у вибірковій програмі культурного обміну між Китаєм і Радянським Союзом і скористалася можливістю вивчати російську мову та фізику в Московському державному університеті. «Коли ти підліток, ти прагнеш досліджувати світ», — сказала вона. «Я не вагався».
Відразу ж вона побачила більше світу, ніж очікувала. Проблеми з візою затримали її приїзд до Росії на кілька місяців, і вона втратила місце в мовній програмі. Влада знайшли для неї інший курс, і незабаром після приземлення в Москві вона сіла на поїзд і помандрувала 5,000 кілометрів на схід. Через три дні вона приїхала в місто Іркутськ в центрі Сибіру на початку зими. «Я отримала пораду: «Ніколи, ніколи нічого не торкайтеся без рукавичок», — щоб вона не застрягла, — сказала вона.
Шан не носила рукавичок, вивчила російську за один семестр і оцінила незвичайну красу зимового пейзажу. Коли курс закінчився і сніг розтанув, вона повернулася до столиці, щоб розпочати навчання на фізиці, і приїхала до Москви навесні 1990 року, у розпал Радянського Союзу.
То були хаотичні роки. Шан бачив танки, які котилися вулицями біля університету, коли комуністи намагалися відновити контроль над урядом. Іншого разу, одразу після випускного іспиту, спалахнула бійка. «Ми чули стрілянину, і нам сказали вимкнути світло в гуртожитку», — сказала вона. Усе, від їжі до туалетного паперу, було нормовано за талонною системою. Тим не менш, Шан відчувала натхнення від стійкості своїх професорів, які продовжували свої дослідження, незважаючи на негаразди. «Умови були важкі, але багато вчених мали таке ставлення. Вони справді люблять те, що роблять, незважаючи на те, що відбувається», — сказала вона.
Коли світовий порядок руйнувався, Шан відзначилася, опублікувавши теоретичну статтю з оптики, яка привернула увагу Гайнца в Колумбійському університеті. Він заохотив її подати заявку, і вона переїхала до Нью-Йорка, де час від часу допомагала іншим іноземним студентам закріпитися в чужій країні. Наприклад, вона залучила Ванга до роботи в лабораторії Хайнца та поділилася експериментальними порадами. «Вона навчила мене, як бути терплячим, — сказав він, — і як не розчаровуватися від лазера».
Більшість дослідників займають постдокторську посаду після отримання ступеня доктора філософії, але Шан приєдналася до Кейс Вестерн Резервного університету безпосередньо як доцент у 2001 році. Кілька років потому, у відпустці, вона повернулася до лабораторії Гайнца в Колумбійському університеті. На цей раз її час був випадковим. Вона почала співпрацювати з чарівною та яскравоокою аспіранткою групи Хайнца Кін Фай Мак.
Мак пішов іншим, менш бурхливим шляхом до Нью-Йорка. Виріс у Гонконзі, йому було важко навчатися в школі, оскільки мало що мало для нього сенсу, крім фізики. «Це було єдине, що мені подобалося і було справді добре, тому я вибрав фізику», — сказав він.
Його бакалаврські дослідження в Університеті Гонконгу виділялися, і Гайнц запросив його приєднатися до бурхливої програми фізики конденсованого середовища Колумбійського університету. Там він поринув у дослідження, проводячи майже весь свій час неспання в лабораторії, за винятком час від часу гри у очний футбол. Андреа Янг, однокурсниця (нині доцент Каліфорнійського університету в Санта-Барбарі), жила з Маком у квартирі на Вест-113-й вулиці. «Мені пощастило, якщо я зміг застати його о 2 годині ночі, щоб зварити макарони і поговорити про фізику. Весь час це була фізика», — сказав Янг.
Але хороші часи не тривали. Незабаром після екскурсії в тропічні ліси Амазонки в Колумбії з Янгом Мак захворів. Його лікарі не були впевнені, що робити з його загадковими результатами аналізів, і він захворів ще більше. Щасливий збіг обставин врятував йому життя. Янг описав ситуацію своєму батькові, досліднику-медику, який одразу розпізнав ознаки апластичної анемії — незвичайного стану крові, який випадково став предметом його власного дослідження. «По-перше, це справді дуже рідкісне явище, — сказав Мак. «І ще рідше захворіти на хворобу, експертом у якій є батько вашого сусіда по кімнаті».
Батько Янга допоміг Маку записатися на експериментальне лікування. Більшу частину свого останнього курсу аспірантури він провів у лікарні та кілька разів був близький до смерті. Протягом усього випробування захоплення фізикою Мака спонукало його продовжувати працювати. «Він писав PRL листи з лікарняного ліжка», – сказав Янг, посилаючись на журнал Physical Review Letters,. «Незважаючи на все це, він був одним із найпродуктивніших студентів за всю історію», — сказав Гайнц. «Це було щось на зразок дива».
Подальше лікування зрештою допомогло Маку повністю одужати. Янг, сам відомий експериментатор, пізніше жартував про свої втручання: «Серед друзів я називаю це своїм найбільшим внеском у фізику».
У 2D пустелю
У 2012 році Мак перейшов до Корнелла як постдокторант, а на той час Шан уже повернувся до Case Western. Вони займалися індивідуальними проектами з графеном та іншими матеріалами, але вони також продовжували разом розкривати нові секрети TMD.
У Корнелі Мак навчився вимірювати транспорт електронів — іншого основного способу визначення руху електронів, окрім оптики. Цей досвід зробив його та Шана подвійною загрозою в галузі, де дослідники зазвичай спеціалізуються на тому чи іншому типі. «Кожного разу, коли я зустрічаюся з Фай і Джі, я скаржуся: «Це несправедливо, хлопці, ви займаєтеся транспортом», — сказала Кім. «Що я маю робити?»
Чим більше дует дізнавався про TMDs, тим більше інтригував їх. Дослідники зазвичай зосереджуються на одній із двох властивостей електронів: їх заряді та спіні (або власному кутовому моменті). Керування потоком електричного заряду є основою сучасної електроніки. І зміна обертання електронів може призвести до «спінтронних» пристроїв, які упаковують більше інформації в менші простори. У 2014 році Мак допоміг дізнатися що електрони в двовимірному дисульфіді молі можуть набувати особливої, третьої властивості: ці електрони повинні рухатися з певною кількістю імпульсу, контрольованим атрибутом, відомим як «долина», який, як припускають дослідники, може породити ще третє поле технології «валлітроніки».
Того ж року Мак і Шан виявили ще одну вражаючу особливість TMD. Електрони — не єдині істоти, які рухаються крізь кристал; фізики також відстежують «діри», вакансії, які утворюються, коли електрони стрибають деінде. Ці діри можуть блукати матеріалом, як справжні позитивно заряджені частинки. Позитивна дірка притягує негативний електрон, щоб утворити швидкоплинне партнерство, відоме як екситон, за мить до того, як електрон закупорить дірку. Шан і Мак вимірював притягання між електронами та дірками у двовимірному диселеніді вольфраму та виявив, що він у сотні разів міцніший, ніж у типовому тривимірному напівпровіднику. Знахідка натякнула на те, що екситони в TMDs можуть бути особливо міцними, і що загалом електрони частіше роблять усілякі дивні речі.
Подружжя разом зайняло посади в Університеті штату Пенсільванія та відкрило там лабораторію. Нарешті переконавшись, що TMD варті того, щоб на них покластися на кар’єру, вони зосередили увагу на матеріалах своєї нової групи. Вони також одружилися.
Тим часом команда Хоуна з Колумбійського університету побачила, що властивості графену стають ще екстремальнішими, коли вони помістили його поверх високоякісного ізолятора, нітриду бору. Це був ранній приклад одного з найновіших аспектів 2D-матеріалів: їх можливості штабелювання.
Помістіть один 2D-матеріал поверх іншого, і шари розмістяться на відстані долі нанометра один від одного — на жодній відстані з точки зору їхніх електронів. В результаті складені листи ефектно зливаються в одне ціле. «Це не просто два матеріали разом», — сказав Ван. «Ви дійсно створюєте новий матеріал».
У той час як графен складається виключно з атомів вуглецю, різноманітне сімейство решіток TMD привносить десятки додаткових елементів у гру стека. Кожен TMD має свої власні властивості. Деякі є магнітними; інші надпровідні. Дослідники з нетерпінням чекали змішування та поєднання їх із модними матеріалами за допомогою їхньої спільної сили.
Але коли група Хоуна помістила дисульфід молі на ізолятор, властивості стека показали слабкі переваги порівняно з тим, що вони бачили в графені. Зрештою вони зрозуміли, що не перевірили якість кристалів TMD. Коли вони попросили кількох колег помістити свій дисульфід молі під мікроскоп, здатний розділяти окремі атоми, вони були приголомшені. Деякі атоми сиділи не в тому місці, а інші повністю зникли. Приблизно 1 зі 100 вузлів решітки мав певні проблеми, що перешкоджали здатності решітки спрямовувати електрони. Для порівняння, графен був втіленням досконалості з приблизно одним дефектом на мільйон атомів. «Ми нарешті зрозуміли, що речі, які ми купували, були повним сміттям», — сказав Хоун.
Приблизно в 2016 році він вирішив зайнятися бізнесом з вирощування TMD дослідницького класу. Він найняв постдок, Даніель Роудс, який має досвід вирощування кристалів шляхом плавлення порошків із сировини при надзвичайно високих температурах, а потім охолодження їх із льодовиковою швидкістю. «Це схоже на вирощування цукерок із цукру у воді», — пояснив Хоун. Новий процес тривав місяць, у порівнянні з кількома днями для комерційних методів. Але він виробляв кристали TMD у сотні чи тисячі разів кращі за ті, що продаються в хімічних каталогах.
Перш ніж Шан і Мак змогли скористатися все більш незайманими кристалами Хоне, вони зіткнулися з непривабливим завданням з’ясувати, як працювати з мікроскопічними пластівцями, які не люблять приймати електрони. Щоб накачати електрони (основу технології транспортування, яку Мак підібрав під час постдокументації), подружжя було одержимі незліченними деталями: який тип металу використовувати для електрода, як далеко від TMD його розташувати, навіть які хімікати використовувати використовувати для очищення контактів. Випробування нескінченних способів налаштування електродів було повільним і трудомістким — «це трудомісткий процес удосконалення цього чи того потроху», — сказав Мак.
Вони також витратили роки, щоб з’ясувати, як підняти та скласти мікроскопічні пластівці, які мають лише десяті мільйонні частки метра в поперечнику. Завдяки цій здатності, а також кристалам Хона та покращеним електричним контактам, усе зійшлося разом у 2018 році. Подружжя переїхало до Ітаки, штат Нью-Йорк, щоб зайняти нові посади в Cornell, і каскад новаторських результатів вилився з їхньої лабораторії.
Прориви в Корнелі
«Сьогодні чомусь усе важко підібрати», — сказав Чженчао Ся, аспірант із групи Мака й Шана, коли темний силует луски нітриду бору загрожував відшаруватися й знову впасти на поверхню кремнію. Аркуш у формі Мадагаскару слабко тримався на шматку графіту, схожому на Саудівську Аравію, подібно до того, як папір може чіплятися за тріскучу поверхню нещодавно натертої повітряної кулі. Графіт, у свою чергу, прилипав до липкої краплі пластику, прикріпленого до предметного скла. Ся використовував комп’ютерний інтерфейс, щоб керувати моторизованою підставкою, яка захоплювала слайд. Подібно до того, як любитель ігрових автоматів може маневрувати когтеподібною машиною за допомогою джойстика, вона обережно підняла стопку в повітря зі швидкістю однієї п’ятої мільйонної частки метра за клацання миші, пильно дивлячись на монітор комп’ютера, щоб перевірити, чи не зробила вона успішно виявив луску нітриду бору.
Вона мала. Ще кількома клацаннями миші двошаровий стек звільнився, і Ся швидко, але навмисне, поклав лусочки на третій матеріал, закріплений металевими електродами. Ще кількома клацаннями вона нагріла поверхню, розплавивши пластиковий клей предметного скла, перш ніж хтось із нас міг чхнути мікроскопічний пристрій.
«Мені завжди сниться цей кошмар, коли він просто зникає», — сказала вона.
Від початку до кінця Ся знадобилося більше години, щоб зібрати нижню половину простого пристрою — еквівалента відкритого PB&J. Вона показала мені іншу купу, яку нещодавно зібрала, і назвала кілька інгредієнтів, серед яких були диселенід вольфраму та молідітеллурид TMD. Один із десятків мікроскопічних сендвічів, які вона сконструювала та вивчала протягом останнього року, цей пристрій Даґвуда мав цілих 10 шарів, і його збирання тривало кілька годин.
Це укладання 2D-матеріалів, яке також виконується в лабораторіях Колумбійського університету, Массачусетського технологічного інституту, Берклі, Гарварду та інших установ, являє собою реалізацію давньої мрії фізиків конденсованого середовища. Дослідники більше не обмежуються матеріалами, знайденими в землі або повільно вирощеними в лабораторії. Тепер вони можуть грати з атомним еквівалентом кубиків Lego, з’єднуючи аркуші, щоб будувати індивідуальні конструкції з бажаними властивостями. Коли справа доходить до збирання конструкцій TMD, мало хто зайшов так далеко, як група Корнелла.
Перше велике відкриття Мак і Шана в Корнеллі стосувалося екситонів, міцно зв’язаних електронно-діркових пар, які вони бачили в TMD ще в 2014 році. Екситони інтригують фізиків, тому що ці “квазічастинки” може запропонувати обхідний шлях досягнення вічної мети фізики конденсованого середовища: надпровідності при кімнатній температурі.
Екситони діють за тими ж дивовижними правилами, що й електрон-електронні пари; ці електронно-діркові пари також стають бозонами, що дозволяє їм «конденсуватися» в спільний квантовий стан, відомий як конденсат Бозе-Ейнштейна. Ця узгоджена орда квазічастинок може демонструвати такі квантові риси, як надтекучість, здатність текти без опору. (Коли надплинна рідина несе електричний струм, вона надпровідна.)
Але на відміну від електронів, що відштовхуються, електрони та дірки люблять з’єднуватися. Дослідники кажуть, що це потенційно робить їхній клей міцнішим. Проблеми надпровідності на основі екситонів полягають у тому, щоб утримати електрон від заповнення отвору та змусити електрично нейтральні пари текти в струмі — і все це в максимально теплому приміщенні. Наразі Мак і Шан розв’язали першу проблему та мають план вирішення другої.
Хмари атомів можна спонукати до утворення конденсату, охолоджуючи їх до рівня вище абсолютного нуля потужними лазерами. Але теоретики давно підозрювали, що конденсати екситонів можуть утворюватися при вищих температурах. Корнельська група втілила цю ідею в реальність за допомогою своїх стекованих TMD. Використовуючи двошаровий сендвіч, вони помістили додаткові електрони у верхній шар і видалили електрони з нижнього, залишивши дірки. Електрони та дірки об’єдналися в пари, утворивши екситони, які довго живуть, оскільки електронам важко перейти до протилежного шару, щоб нейтралізувати своїх партнерів. У жовтні 2019 року група повідомлені знаки екситонного конденсату при приємних 100 кельвінах. У цій установці екситони зберігалися протягом десятків наносекунд, час життя для цього типу квазічастинок. Восени 2021р, група описала вдосконалений апарат, де екситони, здається, тривають мілісекунди, що Мак назвав «практично вічністю».
Зараз команда переслідує схема створений теоретиками в 2008 році для створення екситонного струму. Аллан Макдональд, видатний теоретик конденсованого середовища з Техаського університету в Остіні та його аспірант Юнг-Джунг Су запропонували змусити нейтральні екситони течі, застосувавши електричне поле, орієнтоване таким чином, щоб електрони та дірки рухалися в одному напрямку. Щоб зробити це в лабораторії, корнельська група повинна знову боротися зі своїм вічним ворогом, електричними контактами. У цьому випадку вони повинні приєднати кілька комплектів електродів до шарів TMD, одні для виробництва екситонов, а інші для їх переміщення.
Шан і Мак вважають, що незабаром вони на шляху до того, щоб отримати екситони з температурою до 100 кельвінів. Це холодне приміщення для людини (−173 градуси за Цельсієм або −280 градусів за Фаренгейтом), але це величезний стрибок у порівнянні з нанокельвіновими умовами, які потрібні більшості бозонних конденсатів.
«Це само по собі буде гарним досягненням, — сказав Мак з хитрою посмішкою, — підвищити температуру в мільярд разів».
Магічні муарові матеріали
У 2018 році, поки лабораторія Корнелла нарощувала свої експерименти з TMD, ще один графеновий сюрприз започаткував другу революцію 2D-матеріалів. Пабло Харілло-Ерреро, дослідник Массачусетського технологічного інституту та інший випускник Колумбійського університету, оголосив, що скручування одного шару графену відносно нижнього шару створило чарівний новий 2D-матеріал. Секрет полягав у тому, щоб опустити верхній шар так, щоб його шестикутники приземлилися з невеликим «скручуванням», таким чином, щоб вони були повернуті рівно на 1.1 градуса відносно шестикутників нижче. Це кутове зміщення спричиняє зсув між атомами, який зростає та зменшується під час руху по матеріалу, створюючи повторюваний візерунок із великих «суперкомірок», відомих як надґратка муару. Макдональд і його колега мали розраховано в 2011 році що під «магічним кутом» 1.1 градуса унікальна кристалічна структура надґратки змусить електрони графену сповільнюватися та відчувати відштовхування своїх сусідів.
Коли електрони починають усвідомлювати один одного, відбуваються дивні речі. У звичайних ізоляторах, провідниках і напівпровідниках вважається, що електрони взаємодіють лише з решіткою атомів; вони мчать надто швидко, щоб помітити один одного. Але сповільнені до наповзання, електрони можуть штовхати один одного і колективно перебувати в ряді екзотичних квантових станів. Експерименти Джарілло-Ерреро показали, що для погано зрозумілий Причини цього міжелектронного зв’язку в графені зі скрученим магічним кутом породжують особливо сильна форма надпровідності.
Надрешітка графенового муару також познайомила дослідників з радикально новим способом керування електронами. У надрешітці електрони не помічають окремих атомів і сприймають самі суперкомірки так, ніби вони були гігантськими атомами. Це дозволяє легко заповнити суперкомірки достатньою кількістю електронів для формування колективних квантових станів. Використовуючи електричне поле для збільшення або зменшення середньої кількості електронів на суперкомірку, група Джарілло-Ерреро змогла зробити так, щоб їх скручений двошаровий графеновий пристрій слугував надпровідником, діючи як ізоляторабо відобразити a пліт ін, дивна поведінка електронів.
Фізики всього світу кинулися в новонароджену сферу «твістроніки». Але багато хто виявив, що скручувати важко. У атомів немає причин акуратно потрапляти в «магічне» зміщення на 1.1 градуса, тому листи зморщуються таким чином, що повністю змінюють їхні властивості. Ся, аспірантка Корнельського університету, сказала, що в інших університетах у неї є купа друзів, які працюють із скрученими пристроями. Створення робочого пристрою зазвичай вимагає десятків спроб. І навіть тоді кожен пристрій поводиться по-різному, тому конкретні експерименти майже неможливо повторити.
TMDs представляють набагато простіший спосіб створення надграток муару. Оскільки різні TMD мають шестикутні решітки різного розміру, накладання решітки трохи більших шестикутників поверх меншої решітки створює муаровий візерунок так само, як кутове зміщення. У цьому випадку, оскільки немає обертання між шарами, стек, швидше за все, стане на місце та залишиться нерухомим. За її словами, коли Ся збирається створити пристрій для муару TMD, вона зазвичай досягає успіху в чотирьох випадках із п’яти.
Муарові матеріали TMD є ідеальним майданчиком для вивчення взаємодії електронів. Оскільки матеріали є напівпровідниками, їх електрони стають важкими, коли вони проходять через матеріали, на відміну від шалених електронів у графені. І гігантські клітини муару ще більше сповільнюють їх: у той час як електрони часто рухаються між атомами шляхом «тунелювання», квантово-механічної поведінки, схожої на телепортацію, тунелювання рідко відбувається в ґратці муару, оскільки суперкомірки розташовані приблизно в 100 разів далі одна від одної, ніж атоми всередині них. . Відстань допомагає електронам осісти і дає їм можливість дізнатися своїх сусідів.
Дружній суперник Шана і Мака, Фенг Ван, був одним із перших, хто визнав потенціал муарових надграток TMD. Розрахунки задньої частини конверта припустили, що ці матеріали повинні викликати один із найпростіших способів організації електронів — стан, відомий як кристал Вігнера, де взаємне відштовхування блокує летаргічні електрони на місці. Бригада Ванга пила ознаки таких станів у 2020 році та опубліковано перше зображення електронів, які тримають один одного на відстані витягнутої руки природа у 2021 році. На той час звістка про діяльність Вана щодо муару TMD вже поширилася серед згуртованої спільноти 2D-фізиків, і фабрика Cornell TMD випускала власні пристрої для муару TMD. Шан і Мак також повідомили про наявність кристалів Вігнера в надгратках TMD у 2020 році та виявили протягом кількох місяців, що електрони в їхніх пристроях можуть кристалізуватися майже за два десятки різних кристалів Вігнера.
У той же час група Cornell також створювала муарові матеріали TMD в електроінструмент. Макдональд і співавтори передбачав у 2018 році, що ці пристрої мають правильну комбінацію технічних характеристик, щоб вони ідеально представляли одну з найважливіших іграшкових моделей у фізиці конденсованих середовищ. Модель Хаббарда, як її називають, — це теоретична система, яка використовується для розуміння широкого спектру поведінки електронів. Самостійно запропоновано Мартіном Ґуцвіллером, Джунджіро Канаморі та Джоном Хаббардом у 1963 році ця модель є найкращою спробою фізиків очистити практично нескінченну різноманітність кристалічних ґраток до їхніх найважливіших характеристик. Уявіть сітку атомів, що містять електрони. Модель Хаббарда передбачає, що кожен електрон відчуває дві конкуруючі сили: він хоче рухатися, тунелюючи до сусідніх атомів, але його також відштовхують сусіди, що змушує його залишатися там, де він є. Виникає різна поведінка залежно від того, яке бажання є найсильнішим. Єдина проблема з моделлю Хаббарда полягає в тому, що у всіх випадках, крім найпростішого — одновимірного ряду атомів — вона математично нерозв’язана.
За словами Макдональда та його колег, муарові матеріали TMD можуть діяти як «симулятори» моделі Хаббарда, потенційно вирішуючи деякі з найглибших таємниць галузі, такі як природа клею, який зв’язує електрони в надпровідні пари в купратах. Замість того, щоб боротися з неможливим рівнянням, дослідники могли відпустити електрони в сендвіч TMD і подивитися, що вони зробили. «Ми можемо записати цю модель, але дуже важко відповісти на багато важливих питань», — сказав Макдональд. «Тепер ми можемо зробити це, просто провівши експеримент. Це дійсно новаторство».
Щоб побудувати свій симулятор моделі Хаббарда, Шан і Мак склали шари диселеніду вольфраму та сульфіду вольфраму, щоб створити муарову суперрешітку, і вони прикріпили електроди, щоб налаштувати електричне поле, що проходить через сендвіч TMD. Електричне поле контролювало, скільки електронів заповнить кожну суперкомірку. Оскільки клітини діють як гігантські атоми, перехід від одного електрона до двох електронів на суперкомірку схожий на перетворення решітки атомів водню на решітку атомів гелію. У своїх перша публікація моделі Хаббарда in природа у березні 2020 року вони повідомили про симуляцію атомів до двох електронів; сьогодні вони можуть досягати восьми. У певному сенсі вони реалізували давню мету перетворити свинець на золото. «Це схоже на налаштування хімії, — сказав Мак, — переглядаючи періодичну таблицю». В принципі, вони можуть навіть створити сітку фіктивних атомів, скажімо, 1.38 електрона кожен.
Потім група поглянула на серця штучних атомів. Маючи більше електродів, вони могли б контролювати «потенціал» суперелементів, роблячи зміни, схожі на додавання позитивних протонів до центрів гігантських синтетичних атомів. Чим більший заряд має ядро, тим важче електронам тунелювати, тому це електричне поле дозволяє їм підвищувати та знижувати тенденцію до стрибків.
Контроль Мак і Шан над гігантськими атомами — і, отже, моделлю Хаббарда — був повним. Система муару TMD дозволяє їм викликати сітку ерзац-атомів, навіть тих, яких не існує в природі, і плавно трансформувати їх за своїм бажанням. Це сила, яка навіть для інших дослідників у цій галузі межує з магією. «Якщо я мав би виділити їхню найбільш захоплюючу та вражаючу роботу, то це одна», — сказав Кім.
Група Корнелла швидко використала свої дизайнерські атоми, щоб залагодити 70-річну дискусію. Постало питання: що, якби ви могли взяти ізолятор і налаштувати його атоми, щоб перетворити його на провідний метал? Перехід відбуватиметься поступово чи раптово?
За допомогою алхімії муару Шан і Мак провели уявний експеримент у своїй лабораторії. Спочатку вони змоделювали важкі атоми, які захоплювали електрони так, що надгратка TMD діяла як ізолятор. Потім вони стискали атоми, послаблюючи пастку, поки електрони не змогли вистрибнути на свободу, дозволяючи надгратці стати провідним металом. Спостерігаючи за поступовим падінням електричного опору в міру того, як суперґратка діяла все більше як метал, вони показали, що перехід не є різким. Ця знахідка, яка вони оголосили in природа минулого року відкриває можливість того, що електрони надгратки зможуть досягти довгоочікуваного типу плинності, відомого як квантова спінова рідина. «Це може бути найцікавіша проблема, з якою можна впоратися», — сказав Мак.
Майже в той же час подружжю пощастило зробити те, що деякі фізики вважають своїм найважливішим відкриттям. «Насправді це була повна аварія, — сказав Мак. «Ніхто цього не очікував».
Коли вони почали дослідження симулятора Хаббарда, дослідники використовували сендвічі TMD, у яких шестикутники на двох шарах вирівняні, з перехідними металами на перехідних металах і халькогенідами на халькогенідах. (Тоді вони виявили поступовий перехід ізолятора в метал.) Потім випадково вони повторили експеримент із пристроями, у яких верхній шар був укладений назад.
Як і раніше, опір почав падати, коли електрони почали стрибати. Але потім він різко впав, опустившись настільки низько, що дослідники замислилися, чи не почав муар надпровідним. Проте, досліджуючи далі, вони виміряв рідкісний зразок опору відомий як квантовий аномальний ефект Холла — доказ того, що відбувається щось ще дивніше. Ефект показав, що кристалічна структура пристрою змушувала електрони вздовж краю матеріалу діяти інакше, ніж електрони в центрі. У середині пристрою електрони були захоплені в ізоляційному стані. Але по периметру вони текли в одному напрямку, пояснюючи наднизький опір. Випадково дослідники створили надзвичайно незвичайний і крихкий тип матерії, відомий як ізолятор Черна.
Квантовий аномальний ефект Холла, вперше спостерігається в 2013 році, зазвичай розпадається, якщо температура піднімається вище кількох сотих кельвіна. У 2019 році група Янга в Санта-Барбарі побачила це одноразовий скручений графеновий сендвіч близько 5 кельвінів. Тепер Шан і Мак досягли ефекту майже при тій самій температурі, але в пристрої TMD без перекручування, який кожен може відтворити. «У нас була вища температура, але я візьму їхній у будь-який день, тому що вони можуть робити це 10 разів поспіль», — сказав Янг. Це означає, що ви можете зрозуміти це «і використати це, щоб справді щось зробити».
Мак і Шан вважають, що, трохи потрудившись, вони можуть використовувати муарові матеріали TMD для створення ізоляторів Черна, які витримають 50 або 100 кельвінів. Якщо вони вдасться, робота може призвести до іншого способу проходження струму без опору — принаймні для крихітних «нанодротів», які вони можуть навіть вмикати та вимикати в певних місцях пристрою.
Розвідка у Флатландії
Навіть коли значні результати накопичуються, пара не демонструє ознак сповільнення. У день мого візиту Мак спостерігав, як студенти майстрували великий холодильник для розведення, який дозволяв їм охолоджувати свої пристрої до температур у тисячу разів нижчих, ніж ті, з якими вони працювали досі. У «тепліших» умовах можна було відкрити стільки фізики, що група не мала можливості ретельно дослідити глибшу кріогенну сферу на предмет ознак надпровідності. Якщо суперхолодильник забезпечує надпровідність TMD, це дасть відповідь на ще одне запитання, демонструючи це форма магнетизму, властива купратам (але відсутній у TMD) не є основним інгредієнтом клею, що зв’язує електрони. «Це схоже на вбивство одного з важливих компонентів, який теоретики дійсно хотіли вбити протягом тривалого часу», — сказав Мак.
Він, Шан і їхня група навіть не почали експериментувати з деякими з найприкольніших TMD. Витративши роки на винахід обладнання, необхідного для пересування континентом двовимірних матеріалів, вони нарешті готуються вийти за межі дисульфідного плацдарму, на якому вони висадилися ще в 2 році.
Два дослідники пояснюють свій успіх культурою співпраці, яку вони засвоїли в Колумбійському університеті. Вони кажуть, що перша співпраця з Hone, яка познайомила їх із дисульфідом молію, була лише однією з багатьох можливостей, якими вони насолоджувалися, оскільки вони могли вільно слідувати своїй цікавості. «Нам не довелося обговорювати» їхні плани з Хайнцом, керівником їхньої лабораторії, сказав Шан. «Ми спілкувалися з людьми з інших груп. Ми проводили досліди. Ми навіть все загорнули».
Сьогодні вони створюють таку ж спокійну атмосферу в Корнеллі, де вони наглядають за парою десятків постдокторантів, відвідуючих дослідників і студентів, кожен з яких переважно вільний робити власну справу. «Студенти дуже розумні й мають гарні ідеї», — сказав Мак. «Іноді не хочеться втручатися».
Їхній шлюб також робить їхню лабораторію унікальною. Обидва навчилися спиратися на свої особисті сильні сторони. Окрім великої кількості творчих здібностей як експериментатора, Шан володіє ретельною дисципліною, що робить її хорошим менеджером; коли ми втрьох розмовляли, вона часто підштовхувала «професора Фая» назад, коли його захоплення фізикою штовхало його надто глибоко в техніку. Мак, зі свого боку, із задоволенням працює разом із молодими дослідниками як у лабораторії, так і за її межами. Нещодавно він почав займатися скелелазінням з групою. «Здається, що їхня лабораторія — це їхня родина», — сказав Янг. Шан і Мак сказали мені, що досягають більше разом, ніж могли б поодинці. «Один плюс один — це більше, ніж два», — сказав Мак.
Пристрої, які вони створюють, також можуть бути більшими, ніж сума їхніх частин. Коли дослідники з’єднують листи TMD разом, щоб створити екситони та надгратки муару, вони міркують про те, як нові способи приручення електронів можуть посилити технологію. Навіть якщо кишенькова надпровідність залишається невловимою, конденсати Бозе-Ейнштейна можуть призвести до надчутливих квантових датчиків, а кращий контроль над ізоляторами, подібними до Черна, може дозволити потужні квантові комп'ютери. І це лише очевидні ідеї. Поступові вдосконалення в матеріалознавстві часто призводять до радикальних застосувань, які небагато бачили. Дослідники, які розробили транзистор, наприклад, насилу могли передбачити смартфони, що живляться від мільярдів мікроскопічних перемикачів, розміщених у чіпі розміром з ніготь. І вчені, які намагалися створити скляні волокна, які могли б переносити світло через їхні лабораторні стенди, не могли передбачити, що 10,000 XNUMX-кілометрові підводні оптичні волокна колись з’єднають континенти. Двовимірні матеріали можуть розвиватися в таких же непередбачуваних напрямках. «Дійсно нова платформа матеріалів створює власні програми, а не витісняє існуючі матеріали», — сказав Хайнц.
Підвозячи мене до автобусної зупинки Ithaca, Шан і Мак розповіли мені про нещодавню (і рідкісну) відпустку, яку вони взяли в Банф, Канада, де вони ще раз продемонстрували свій хист натрапляти на сюрпризи завдяки поєднанню зусиль і удачі. Вони цілими днями намагалися — марно — помітити ведмедя. Потім, в кінці подорожі, по дорозі в аеропорт, вони зупинилися, щоб розім'яти ноги в ботанічному заказнику, і опинилися віч-на-віч з чорним ведмедем.
Подібним чином у фізиці конденсованих речовин їхній підхід полягає в тому, щоб разом блукати новим ландшафтом і дивитися, що з’являється. «У нас небагато теоретичних вказівок, ми просто дуріємо й експериментуємо», — сказав Мак. «Це може зазнати невдачі, але іноді ви можете наштовхнутися на щось дуже несподіване».
