طبیعیات کی جوڑی دو جہتوں میں جادو تلاش کرتی ہے۔

Molybdenite، یہاں تک کہ تربیت یافتہ آنکھ تک، تقریباً گریفائٹ سے ملتی جلتی نظر آتی ہے - ایک چمکدار، چاندی کا کرسٹل۔ یہ بھی اسی طرح کام کرتا ہے، فلیکس کو اس طرح سے اتارتا ہے جس سے پنسل کی اچھی بھرائی ہوگی۔ لیکن ایک الیکٹران کے لیے ایٹم کے دو گرڈ مختلف دنیا بناتے ہیں۔ یہ امتیاز پہلی بار 244 سال پہلے سائنسی ریکارڈ میں داخل ہوا۔ کارل شیل، ایک سویڈش کیمیا دان، جو آکسیجن کی اپنی دریافت کے لیے مشہور ہے، نے ہر معدنیات کو مختلف تیزابوں میں ڈالا اور گیس کے تیز بادلوں کو دیکھا جو باہر نکل رہے تھے۔ شیل، جس نے بالآخر اپنی زندگی کے ساتھ اس نقطہ نظر کی قیمت ادا کی، 43 سال کی عمر میں مشتبہ بھاری دھاتی زہر سے مر گیا، یہ نتیجہ اخذ کیا کہ molybdenite ایک نیا مادہ تھا۔ 1778 میں رائل سویڈش اکیڈمی آف سائنس کو لکھے گئے ایک خط میں اس کی وضاحت کرتے ہوئے، اس نے لکھا، "میں یہاں عام طور پر معروف گریفائٹ کا حوالہ نہیں دے رہا ہوں جسے کوئی بھی اپوتھیکری سے حاصل کر سکتا ہے۔ ایسا لگتا ہے کہ یہ منتقلی دھات نامعلوم ہے۔

پاؤڈری ٹکڑوں میں پھٹنے کے رجحان کے ساتھ، مولبڈینائٹ 20 ویں صدی میں ایک مقبول چکنا کرنے والا بن گیا۔ اس نے سکی کو برف کے درمیان سے آگے بڑھنے میں مدد کی اور ویتنام میں رائفل کے بیرل سے گولیوں کے اخراج کو ہموار کیا۔

آج وہی فلک پن طبیعیات کے انقلاب کو ہوا دے رہا ہے۔

کامیابیاں گریفائٹ اور اسکاچ ٹیپ سے شروع ہوئیں۔ محققین نے 2004 میں اتفاق سے دریافت کیا کہ وہ صرف ایک ایٹم موٹی گریفائٹ کے فلیکس کو چھیلنے کے لیے ٹیپ کا استعمال کر سکتے ہیں۔ یہ کرسٹل شیٹس، ہر ایک کاربن ایٹموں کی ایک فلیٹ صف، حیران کن خصوصیات رکھتی تھی جو ان تین جہتی کرسٹل سے یکسر مختلف تھیں۔ گرافین (جیسا کہ اس کے دریافت کرنے والوں نے اسے ڈب کیا) مادے کی ایک بالکل نئی قسم تھی - ایک 2D مواد۔ اس کی دریافت نے کنڈینسڈ مادے کی طبیعیات کو تبدیل کر دیا، طبیعیات کی وہ شاخ جو مادے کی بہت سی شکلوں اور طرز عمل کو سمجھنے کی کوشش کرتی ہے۔ تقریبا آدھا تمام طبیعیات دانوں میں سے گاڑھا مادہ طبیعیات دان ہیں۔ یہ وہ ذیلی فیلڈ ہے جس نے ہمارے پاس کمپیوٹر چپس، لیزرز، ایل ای ڈی بلب، ایم آر آئی مشینیں، سولر پینلز اور ہر طرح کے جدید تکنیکی کمالات لائے۔ گرافین کی دریافت کے بعد، ہزاروں کنڈینسڈ مادّے کے ماہرین طبیعیات نے نئے مواد کا مطالعہ شروع کر دیا، اس امید پر کہ یہ مستقبل کی ٹیکنالوجیز کو زیر کر لے گا۔

گرافین کے دریافت کرنے والوں کو 2010 میں طبیعیات کا نوبل انعام ملا۔ اسی سال کولمبیا یونیورسٹی کے دو نوجوان طبیعیات دان، جی شان اور کن فی مکنے نشانیاں دیکھی ہیں کہ مولبڈینائٹ کے فلیکس گرافین سے بھی زیادہ جادوئی ہو سکتے ہیں۔ غیر معروف معدنیات میں ایسی خصوصیات ہیں جو اس کا مطالعہ کرنا مشکل بناتی ہیں — بہت سی لیبز کے لیے بہت مشکل — لیکن اس نے شان اور مک کو موہ لیا۔ مضبوط جوڑی نے تقریباً ایک دہائی 2D molybdenite (یا molybdenum disulfide، جیسا کہ کرسٹل کا لیب میں تیار کردہ ورژن کہا جاتا ہے) اور قریب سے متعلق 2D کرسٹل کے خاندان کے لیے وقف کیا۔

اب ان کی کوشش رنگ لے رہی ہے۔ شان اور ماک، جو اب شادی شدہ ہیں اور کارنیل یونیورسٹی میں ایک مشترکہ تحقیقی گروپ چلاتے ہیں، نے دکھایا ہے کہ مولبڈینم ڈسلفائیڈ کے 2D کرسٹل اور اس کے رشتہ دار غیر ملکی کوانٹم مظاہر کی ایک بہت بڑی قسم کو جنم دے سکتے ہیں۔ "یہ ایک پاگل کھیل کا میدان ہے،" نے کہا جیمز ہون، کولمبیا میں ایک محقق جو کارنیل لیب کو اعلی معیار کے کرسٹل فراہم کرتا ہے۔ "آپ تمام جدید کنڈینسڈ مادّے کی طبیعیات کو ایک مادی نظام میں کر سکتے ہیں۔"

شان اور میک کے گروپ نے ان فلیٹ کرسٹل میں غیر معمولی طریقوں سے برتاؤ کرنے والے الیکٹرانوں کو پکڑ لیا ہے۔ انہوں نے ذرات کو کوانٹم سیال میں ضم کرنے اور برف جیسے ڈھانچے کی ایک درجہ بندی میں منجمد کرنے کے لئے اکٹھا کیا ہے۔ انہوں نے بہت بڑے مصنوعی ایٹموں کے گرڈ کو جمع کرنا سیکھ لیا ہے جو اب مادے کے بنیادی نظریات کے لیے ٹیسٹ بیڈ کے طور پر کام کر رہے ہیں۔ 2018 میں اپنی کارنیل لیب کھولنے کے بعد سے، ماسٹر الیکٹران ٹیمرز نے اس میں ایک چشم کشا آٹھ مقالے شائع کیے ہیں۔ فطرت، قدرتسائنس کا سب سے باوقار جریدہ، اور ساتھ ہی ساتھ مزید کاغذات کی ایک بڑی تعداد۔ نظریہ سازوں کا کہنا ہے کہ یہ جوڑا اس بات کی سمجھ کو بڑھا رہا ہے کہ الیکٹرانوں کی کون سی تعداد اس کے قابل ہے۔

ان کی تحقیق "بہت سے پہلوؤں سے بہت متاثر کن ہے،" کہا فلپ کم، ہارورڈ یونیورسٹی کے ایک ممتاز کنڈینسڈ مادے کے ماہر طبیعیات۔ "یہ ہے، میں کہوں گا، سنسنی خیز۔"

2D مواد کا عروج

مادے کی صفات عام طور پر اس بات کی عکاسی کرتی ہیں کہ اس کے الیکٹران کیا کر رہے ہیں۔ مثال کے طور پر، دھاتوں جیسے موصل میں، الیکٹران بجلی لے کر آسانی کے ساتھ ایٹموں کے درمیان سفر کرتے ہیں۔ لکڑی اور شیشے جیسے انسولیٹروں میں الیکٹران لگے رہتے ہیں۔ سیلیکون جیسے سیمی کنڈکٹر درمیان میں آتے ہیں: ان کے الیکٹران کو توانائی کی آمد کے ساتھ حرکت کرنے پر مجبور کیا جا سکتا ہے، جو انہیں کرنٹ کو آن اور آف کرنے کے لیے مثالی بناتا ہے - ایک ٹرانجسٹر کا کام۔ پچھلے 50 سالوں میں، الیکٹران کے ان تین بنیادی رویوں کے علاوہ، کنڈینسڈ مادّے کے ماہرین طبیعیات نے ہلکے وزن والے چارج شدہ ذرات کو بہت سے غیر ملکی طریقوں سے برتاؤ کرتے دیکھا ہے۔

ایک اور ڈرامائی حیرت 1986 میں آئی، جب آئی بی ایم کے دو محققین، جارج بیڈنورز اور ایلکس مولر، پتہ چلا کاپر آکسائیڈ ("کپریٹ") کرسٹل کے ذریعے بغیر کسی مزاحمت کے الیکٹران کا ایک کرنٹ حرکت کرتا ہے۔ یہ سپر کنڈکٹیویٹی - بجلی کی کامل کارکردگی کے ساتھ بہنے کی صلاحیت - کو پہلے دیکھا گیا تھا، لیکن صرف صفر کے چند ڈگری کے اندر ٹھنڈا ہونے والے مواد میں اچھی طرح سے سمجھی جانے والی وجوہات کی بنا پر۔ اس بار، Bednorz اور Müller نے اس رجحان کی ایک پراسرار شکل کا مشاہدہ کیا جو ریکارڈ توڑنے والے 35 کیلونز (یعنی مطلق صفر سے 35 ڈگری اوپر) پر برقرار رہا۔ سائنس دانوں نے جلد ہی دوسرے کپریٹس کو دریافت کیا جو 100 کیلونز سے اوپر سپر کنڈکٹ ہیں۔ ایک خواب نے جنم لیا جو آج بھی کنڈینسڈ مادّہ کی طبیعیات کا پہلا مقصد ہے: ایک ایسا مادہ تلاش کرنا یا انجینئرنگ کرنا جو ہماری گرم، تقریباً 300 کیلون دنیا میں بجلی کو سپر کنڈکٹ کر سکتا ہے، بغیر کسی نقصان کے بجلی کی لائنوں کو چالو کرنا، گاڑیوں کو لیویٹ کرنا اور دیگر انتہائی موثر آلات جو انسانی توانائی کی ضروریات کو نمایاں طور پر کم کرے گا۔

سپر کنڈکٹیویٹی کی کلید الیکٹرانوں کو منانا ہے، جو کہ عام طور پر ایک دوسرے کو پیچھے ہٹاتے ہیں، جوڑ بنانے اور ہستیوں کی تشکیل کے لیے جنہیں بوسنز کہتے ہیں۔ بوسنز پھر اجتماعی طور پر بغیر رگڑ کے کوانٹم سیال میں مل سکتے ہیں۔ پرکشش قوتیں جو بوسنز کو تخلیق کرتی ہیں، جیسے کہ جوہری کمپن، عام طور پر صرف کرائیوجینک درجہ حرارت پر الیکٹرانوں کے پسپائی پر قابو پا سکتی ہیں یا اعلی دباؤ. لیکن ان انتہائی حالات کی ضرورت نے سپر کنڈکٹیوٹی کو روزمرہ کے آلات میں اپنا راستہ تلاش کرنے سے روک دیا ہے۔ کپریٹس کی دریافت نے امید پیدا کی کہ صحیح جوہری جالی الیکٹرانوں کو اتنی مضبوطی سے "گلو" کر سکتی ہے کہ وہ کمرے کے درجہ حرارت پر بھی پھنسے رہیں گے۔

Bednorz اور Müller کی کھوج کے 40 سال بعد، تھیوریسٹ ابھی تک مکمل طور پر اس بات کا یقین نہیں کر پا رہے ہیں کہ کپریٹس میں گلو کیسے کام کرتا ہے، اس سے بہت کم کہ اسے مضبوط کرنے کے لیے مواد کو کس طرح موافق بنایا جائے۔ اس طرح، کنڈینسڈ مادّے کی طبیعیات میں بہت زیادہ تحقیق کرسٹل کے لیے آزمائشی اور غلطی کی تلاش ہے جو اپنے الیکٹرانوں کو جوڑ کر رکھ سکتے ہیں یا دوسرے حیرت انگیز طریقوں سے الیکٹرانوں کو چروا سکتے ہیں۔ کِم نے کہا کہ "کثافت مادہ طبیعیات کی ایک شاخ ہے جو بے حسی کی اجازت دیتی ہے۔" یہ 2004D مواد کی 2 کی دریافت تھی۔

آئرلینڈ گیم اور Konstantin Novoselovبرطانیہ میں مانچسٹر یونیورسٹی میں گریفائٹ کے ساتھ کام کرنا، دریافت مواد کے فلک پن کا ایک چونکا دینے والا نتیجہ۔ ایک گریفائٹ کرسٹل میں کاربن ایٹم ہوتے ہیں جو مسدس کی ڈھیلے بندھے ہوئے چادروں میں ترتیب دیے جاتے ہیں۔ نظریہ سازوں نے طویل عرصے سے پیش گوئی کی تھی کہ اسٹیک کے مستحکم اثر و رسوخ کے بغیر، گرمی سے پیدا ہونے والی کمپن ایک پرت کی چادر کو توڑ دے گی۔ لیکن Geim اور Novoselov نے پایا کہ وہ اسکاچ ٹیپ اور استقامت سے کچھ زیادہ کے ساتھ مستحکم، جوہری طور پر پتلی چادروں کو چھیل سکتے ہیں۔ گرافین پہلا واقعی فلیٹ مواد تھا - ایک ایسا طیارہ جس پر الیکٹران ادھر ادھر پھسل سکتے ہیں لیکن اوپر نیچے نہیں۔

کولمبیا کے ماہر طبیعیات ہون نے دریافت کیا کہ دنیا کا سب سے پتلا مواد کسی نہ کسی طرح ہے سب سے مضبوط بھی. یہ ایک ایسے مواد کے لیے ایک قابل ذکر پریشان تھا جس کے بارے میں نظریہ سازوں کا خیال تھا کہ وہ ایک ساتھ نہیں لٹکائے گا۔

گرافین کے بارے میں سب سے زیادہ دلچسپ ماہر طبیعیات یہ تھا کہ کاربن فلیٹ لینڈ نے الیکٹرانوں کو کس طرح تبدیل کیا: کوئی بھی چیز انہیں سست نہیں کر سکتی تھی۔ الیکٹران اکثر ایٹموں کی جالیوں سے پھنس جاتے ہیں جس کے ذریعے وہ حرکت کرتے ہیں، اپنے نصابی کتاب کے ماس سے زیادہ بھاری کام کرتے ہیں (ایک انسولیٹر کے متحرک الیکٹران اس طرح کام کرتے ہیں جیسے ان کا لامحدود ماس ہو)۔ گرافین کی چپٹی جالی، تاہم، الیکٹرانوں کو ایک ملین میٹر فی سیکنڈ کی رفتار سے گھومنے دیتا ہے - روشنی کی رفتار سے صرف چند سو گنا کم۔ اس مستقل، چھلکتی ہوئی رفتار سے، الیکٹران اس طرح اڑ گئے جیسے ان کا کوئی ماس ہی نہ ہو، گرافین کو انتہائی (اگرچہ سپر نہیں) چالکتا کے ساتھ برکت دیتا ہے۔

حیرت انگیز مواد کے ارد گرد ایک پورا میدان پھیل گیا۔ محققین نے بھی وسیع پیمانے پر سوچنا شروع کیا۔ کیا دوسرے مادوں کے 2D فلیکس اپنی سپر پاورز کو محفوظ کر سکتے ہیں؟ ہون شاخیں نکالنے والوں میں شامل تھا۔ 2009 میں، اس نے گریفائٹ کے ڈوپلگینجر، مولیبڈینم ڈسلفائیڈ کی کچھ میکانکی خصوصیات کی پیمائش کی، پھر ٹونی ہینز کی کولمبیا لیب میں دو نظری ماہرین کو کرسٹل بھیج دیا۔ یہ ایک غیر معمولی اقدام تھا جو اس میں شامل ہر فرد کے کیریئر کو بدل دے گا۔

مولیبڈینم ڈسلفائیڈ کا نمونہ اپنے کیریئر کے شروع میں ایک وزٹنگ پروفیسر جی شان اور گریجویٹ طالب علم کن فائی مک کے ہاتھوں میں پہنچا۔ نوجوان جوڑی اس بات کا مطالعہ کر رہی تھی کہ گرافین روشنی کے ساتھ کیسے تعامل کرتا ہے، لیکن وہ پہلے ہی دوسرے مواد کے بارے میں دن میں خواب دیکھنا شروع کر چکے تھے۔ گرافین کے تیز الیکٹران اسے ایک لاجواب موصل بناتے ہیں، لیکن وہ جو چاہتے تھے وہ ایک 2D سیمی کنڈکٹر تھا - ایک ایسا مواد جس کے الیکٹران کے بہاؤ کو وہ آن اور آف کر سکتے ہیں، اور جو کہ ٹرانزسٹر کے طور پر کام کر سکتا ہے۔

Molybdenum disulfide ایک سیمی کنڈکٹر کے طور پر جانا جاتا تھا۔ اور شان اور ماک کو جلد ہی پتہ چلا کہ، گریفائٹ کی طرح، اس نے 2D میں اضافی طاقتیں حاصل کیں۔ جب انہوں نے "مولی ڈسلفائیڈ" کے 3D کرسٹل پر لیزر کی نشاندہی کی (جیسا کہ وہ پیار سے اسے کہتے ہیں)، کرسٹل سیاہ ہی رہے۔ لیکن جب شان اور ماک نے اسکاچ ٹیپ سے پرتوں کو پھاڑ دیا، انہیں لیزر سے مارا، اور ایک خوردبین کے نیچے ان کا جائزہ لیا، تو انہوں نے 2D شیٹس کو چمکتا ہوا دیکھا۔

دوسرے گروہوں کی تحقیق بعد میں اس بات کی تصدیق کرے گی کہ قریب سے متعلقہ مواد کی اچھی طرح سے بنی ہوئی شیٹس ہر آخری فوٹون کی عکاسی کرتی ہیں جو ان سے ٹکراتا ہے۔ میک نے حال ہی میں کہا، "یہ ایک قسم کا دل ہلا دینے والا ہے،" جب میں نے ان سے اور شان سے کورنیل میں ان کے مشترکہ دفتر میں ملاقات کی۔ "آپ کے پاس ایٹموں کی صرف ایک شیٹ ہے، اور یہ ایک مکمل آئینے کی طرح 100٪ روشنی کی عکاسی کر سکتی ہے۔" انہوں نے محسوس کیا کہ یہ خاصیت شاندار آپٹیکل آلات کا باعث بن سکتی ہے۔

آزادانہ طور پر، فینگ وانگیونیورسٹی آف کیلیفورنیا، برکلے کے ایک ماہر طبیعیات نے بھی یہی دریافت کی۔ ایک 2D مواد جو انتہائی عکاس تھا اور بوٹ کرنے کے لیے ایک سیمی کنڈکٹر نے کمیونٹی کی توجہ حاصل کی۔ دونوں گروہوں 2010 میں ان کے نتائج شائع کیے گئے؛ کاغذات کے بعد سے ان کے درمیان 16,000 سے زیادہ حوالہ جات موصول ہوئے ہیں۔ ہون نے کہا، "ہر کوئی لیزر والے 2D مواد میں بہت دلچسپی لینے لگے۔

مولی ڈسلفائیڈ کو دوسرے 2D ونڈر میٹریل کے طور پر شناخت کرکے، دونوں گروپوں نے 2D مواد کے پورے براعظم پر لینڈ فال کیا تھا۔ Moly disulfide کا تعلق مادوں کے ایک خاندان سے ہے جسے ٹرانزیشن میٹل ڈیچلکوجینائیڈز (TMDs) کہا جاتا ہے، جس میں متواتر جدول کے دھاتی درمیانی علاقے جیسے کہ molybdenum کے ایٹموں کو کیمیکل مرکبات کے جوڑے کے ساتھ جوڑتے ہیں جسے chalcogenides کہتے ہیں، جیسے سلفر۔ Moly disulfide صرف قدرتی طور پر واقع TMD ہے، لیکن وہاں موجود ہیں درجنوں مزید جسے محققین لیبز میں تیار کر سکتے ہیں — ٹنگسٹن ڈسلفائیڈ، مولیبڈینم ڈیٹیلورائیڈ وغیرہ۔ زیادہ تر کمزوری سے جڑی ہوئی چادریں بناتے ہیں، جس سے وہ ٹیپ کے ایک ٹکڑے کے کاروباری پہلو کے لیے حساس ہو جاتے ہیں۔

جوش کی ابتدائی لہر جلد ہی ختم ہوگئی، تاہم، محققین نے TMDs کو چمکنے سے زیادہ کرنے کے لیے جدوجہد کی۔ وانگ کا گروپ، ایک تو یہ معلوم کرنے کے بعد کہ وہ دھات کے الیکٹروڈ کو آسانی سے مولی ڈسلفائیڈ سے جوڑ نہیں سکتے، گرافین پر گر گئے۔ انہوں نے کہا کہ "یہ ہمارے گروپ کے لیے کچھ سالوں سے رکاوٹ ہے۔ "اب بھی ہم رابطہ کرنے میں بہت اچھے نہیں ہیں۔" ایسا لگتا تھا کہ گرافین پر TMDs کا بنیادی فائدہ بھی ان کی سب سے بڑی کمزوری تھی: کسی مواد کی الیکٹرانک خصوصیات کا مطالعہ کرنے کے لیے، محققین کو اکثر الیکٹران کو اس میں دھکیلنا چاہیے اور نتیجے میں آنے والے کرنٹ کی مزاحمت کی پیمائش کرنا چاہیے۔ لیکن چونکہ سیمی کنڈکٹرز ناقص موصل ہیں، اس لیے الیکٹران کو اندر یا باہر نکالنا مشکل ہے۔

ماک اور شان نے ابتدا میں متضاد محسوس کیا۔ میک نے کہا، "یہ واقعی واضح نہیں تھا کہ ہمیں گرافین پر کام جاری رکھنا چاہیے یا اس نئے مواد پر کام شروع کرنا چاہیے۔" "لیکن چونکہ ہمیں معلوم ہوا کہ اس میں یہ اچھی خاصیت ہے، اس لیے ہم نے کچھ اور تجربات کرنا جاری رکھے۔"

جیسے جیسے انہوں نے کام کیا، دونوں محققین مولی ڈسلفائیڈ، اور ایک دوسرے کے ذریعے تیزی سے مسحور ہو گئے۔ ابتدائی طور پر، ان کا رابطہ پیشہ ورانہ تھا، زیادہ تر تحقیق پر مرکوز ای میلز تک محدود تھا۔ فائی اکثر پوچھتا تھا، 'وہ سامان کہاں ہے؟ تم نے اسے کہاں رکھا؟'' شان نے کہا۔ لیکن آخر کار ان کا رشتہ، جو طویل عرصے تک انکیوبیٹڈ اور تجرباتی کامیابی سے متاثر ہوا، رومانوی ہو گیا۔ میک نے کہا، "ہم نے ایک دوسرے کو اکثر دیکھا، لفظی طور پر ایک ہی لیب میں ایک ہی پروجیکٹ پر کام کر رہے ہیں۔" "بہت اچھی طرح سے کام کرنے والے پراجیکٹ نے ہمیں بھی خوشی دی۔"

تمام فزکس ہر وقت

پریشان کن TMDs کو ایڑی پر لانے کے لیے آہنی نظم و ضبط کے ساتھ دو سرشار طبیعیات دانوں کے درمیان شراکت داری کی ضرورت ہوگی۔

ماہرین تعلیم ہمیشہ آسانی سے شان کے پاس آتے تھے۔ 1970 کی دہائی میں ساحلی صوبے زی جیانگ میں پرورش پانے والی، وہ ایک اسٹار طالب علم تھی، جس نے ریاضی، سائنس اور زبان میں مہارت حاصل کی اور ہیفی میں چین کی یونیورسٹی آف سائنس اینڈ ٹیکنالوجی میں ایک مشہور مقام حاصل کیا۔ وہاں، اس نے چین اور سوویت یونین کے درمیان منتخب ثقافتی تبادلے کے پروگرام کے لیے کوالیفائی کیا، اور اس نے ماسکو اسٹیٹ یونیورسٹی میں روسی اور طبیعیات کی تعلیم حاصل کرنے کے موقع پر چھلانگ لگا دی۔ "جب آپ نوعمر ہوتے ہیں، تو آپ دنیا کو تلاش کرنے کے شوقین ہوتے ہیں،" اس نے کہا۔ "میں نے ہچکچاہٹ محسوس نہیں کی۔"

ابھی، اس نے اس سے زیادہ دنیا دیکھی جس کے لیے اس نے سودے بازی کی تھی۔ ویزا کی پریشانیوں کی وجہ سے اس کی روس آمد میں کچھ مہینوں کی تاخیر ہوئی، اور وہ لینگویج پروگرام میں اپنی نشست کھو بیٹھی۔ حکام نے اسے ایک اور راستہ تلاش کیا، اور ماسکو میں اترنے کے فوراً بعد وہ ٹرین میں سوار ہوئی اور 5,000 کلومیٹر مشرق کا سفر کیا۔ تین دن بعد وہ سردیوں کے آغاز پر سائبیریا کے وسط میں واقع شہر ارکتسک پہنچی۔ "مجھے جو مشورہ ملا وہ یہ تھا، 'کبھی بھی بغیر دستانے کے کسی چیز کو مت چھونا،'" ایسا نہ ہو کہ وہ پھنس جائے، اس نے کہا۔ 

شان نے اپنے دستانے پہن رکھے تھے، ایک ہی سمسٹر میں روسی زبان سیکھی تھی، اور سردی کے مناظر کی شاندار خوبصورتی کو سراہنے آئی تھی۔ جب کورس ختم ہوا اور برف پگھل گئی، تو وہ فزکس کی ڈگری شروع کرنے کے لیے دارالحکومت واپس آگئی، سوویت یونین کے ٹوٹنے کے دوران 1990 کے موسم بہار میں ماسکو پہنچی۔

وہ انتشار کے سال تھے۔ شان نے ٹینکوں کو یونیورسٹی کے قریب سڑکوں پر گھومتے دیکھا جب کمیونسٹ حکومت پر دوبارہ کنٹرول حاصل کرنے کی کوشش کر رہے تھے۔ ایک اور موقع پر، آخری امتحان کے فوراً بعد، لڑائی چھڑ گئی۔ انہوں نے کہا کہ "ہمیں فائرنگ کی آوازیں سنائی دے رہی تھیں، اور ہمیں چھاترالی میں لائٹس بند کرنے کے لیے کہا گیا تھا۔" کھانے سے لے کر ٹوائلٹ پیپر تک سب کچھ کوپن سسٹم کے ذریعے راشن دیا جاتا تھا۔ اس کے باوجود، شان نے اپنے پروفیسروں کی لچک سے متاثر محسوس کیا، جنہوں نے ہنگامہ آرائی کے باوجود اپنی تحقیق جاری رکھی۔ "حالات سخت تھے، لیکن بہت سے سائنس دانوں کا اس طرح کا رویہ تھا۔ جو کچھ ہو رہا ہے اس کے باوجود وہ جو کچھ کرتے ہیں اسے سچ میں پسند کرتے ہیں،‘‘ اس نے کہا۔

جیسے جیسے عالمی نظام ٹوٹ گیا، شان نے اپنے آپ کو ممتاز کیا، ایک نظریاتی آپٹکس پیپر شائع کیا جس نے کولمبیا میں ہینز کی توجہ حاصل کی۔ اس نے اسے درخواست دینے کی ترغیب دی، اور وہ نیویارک منتقل ہو گئی، جہاں اس نے کبھی کبھار دوسرے بین الاقوامی طلباء کو غیر ملک میں قدم جمانے میں مدد کی۔ اس نے وانگ کو Heinz کی لیب میں کام کرنے کے لیے بھرتی کیا، مثال کے طور پر، اور تجرباتی تجاویز کا اشتراک کیا۔ "اس نے مجھے سکھایا کہ صبر کیسے کیا جائے،" انہوں نے کہا، اور "لیزر سے مایوس نہ ہونے کا طریقہ۔"

زیادہ تر محققین اپنی پی ایچ ڈی کرنے کے بعد پوسٹ ڈاکٹریٹ کی پوزیشن حاصل کرتے ہیں، لیکن شان نے کیس ویسٹرن ریزرو یونیورسٹی میں 2001 میں براہ راست ایک ایسوسی ایٹ پروفیسر کے طور پر شمولیت اختیار کی۔ کئی سال بعد، ایک چھٹی کے دن، وہ کولمبیا میں ہینز کی لیب میں واپس آگئی۔ ایک بار کے لئے، اس کا وقت اتفاقی تھا. اس نے ہینز کے گروپ کن فائی مک میں ایک دلکش اور روشن آنکھوں والی گریجویٹ طالبہ کے ساتھ تعاون کرنا شروع کیا۔

میک نے نیویارک شہر کے لیے ایک مختلف، کم ہنگامہ خیز راستہ اختیار کیا تھا۔ ہانگ کانگ میں پلے بڑھے، اس نے اسکول میں جدوجہد کی، کیونکہ فزکس کے علاوہ اس کے لیے بہت کم سمجھ میں آیا۔ انہوں نے کہا کہ "یہ واحد چیز تھی جو مجھے پسند ہے اور وہ اصل میں اچھی تھی، اس لیے میں نے فزکس کا انتخاب کیا۔"

ہانگ کانگ یونیورسٹی میں ان کی انڈرگریجویٹ تحقیق نمایاں رہی، اور ہینز نے اسے کولمبیا کے عروج پر پہنچتے ہوئے کنڈینسڈ مادّہ فزکس پروگرام میں شامل ہونے کے لیے بھرتی کیا۔ وہاں، اس نے اپنے آپ کو تحقیق میں جھونک دیا، اپنے جاگنے کے تقریباً تمام گھنٹے لیب میں گزارے سوائے کبھی کبھار انٹرمورل ساکر کے کھیل کے۔ آندریا ینگ، ایک ساتھی گریڈ کی طالبہ (اب یونیورسٹی آف کیلیفورنیا، سانتا باربرا میں اسسٹنٹ پروفیسر ہیں) نے میک کے ساتھ ویسٹ 113 ویں اسٹریٹ پر ایک اپارٹمنٹ شیئر کیا۔ "میں خوش قسمت تھا اگر میں اسے صبح 2 بجے کچھ پاستا پکانے اور فزکس کے بارے میں بات کرنے کے لیے پکڑ سکتا۔ یہ ہر وقت فزکس تھا، "ینگ نے کہا۔

لیکن اچھا وقت قائم نہیں رہا۔ ینگ کے ساتھ کولمبیا میں ایمیزون برساتی جنگل کی سیر کے فوراً بعد، میک بیمار ہو گیا۔ اس کے ڈاکٹروں کو اس بات کا یقین نہیں تھا کہ اس کے حیران کن ٹیسٹ کے نتائج کا کیا کرنا ہے، اور وہ بیمار ہو گیا۔ خوش قسمتی سے اس کی جان بچ گئی۔ ینگ نے اپنے والد، ایک طبی محقق کو صورت حال بیان کی، جنہوں نے فوری طور پر اپلاسٹک انیمیا کی علامات کو پہچان لیا - خون کی ایک غیر معمولی حالت جو ان کی اپنی تحقیق کا موضوع تھی۔ میک نے کہا کہ "یہ واقعی بہت کم ہے کہ یہ بیماری لاحق ہو۔ "اور اس سے بھی زیادہ شاذ و نادر ہی ایسی بیماری ہو جس میں آپ کے روم میٹ کے والد ماہر ہوں۔"

نوجوان کے والد نے ماک کو تجرباتی علاج میں داخلہ لینے میں مدد کی۔ اس نے اپنے گریجویٹ اسکول کے آخری سال کا بیشتر حصہ اسپتال میں گزارا اور کئی بار موت کے قریب پہنچا۔ پوری آزمائش کے دوران، ماک کے فزکس کے جذبے نے اسے کام جاری رکھنے پر اکسایا۔ "وہ لکھ رہا تھا۔ پی ایل ایل اس کے ہسپتال کے بستر سے خطوط،” ینگ نے جریدے کا حوالہ دیتے ہوئے کہا جسمانی جائزہ لینے کے خطوط. "ان سب کے باوجود، وہ اب تک کے سب سے زیادہ نتیجہ خیز طلباء میں سے ایک تھا،" ہینز نے کہا۔ "یہ ایک معجزہ تھا۔"

مزید علاج نے بالآخر میک کو مکمل صحت یاب ہونے میں مدد کی۔ ینگ، جو خود ایک مشہور تجربہ کار ہے، بعد میں اپنی مداخلتوں کے بارے میں طنز کرے گا، "دوستوں کے درمیان میں اسے طبیعیات میں اپنی سب سے بڑی شراکت قرار دیتا ہوں۔"

2D بیابان میں

میک 2012 میں پوسٹ ڈاکٹریٹ محقق کے طور پر کارنیل چلا گیا، اس وقت تک شان پہلے ہی کیس ویسٹرن میں واپس آچکا تھا۔ انہوں نے گرافین اور دیگر مواد کے ساتھ انفرادی منصوبوں کا تعاقب کیا، لیکن انہوں نے مل کر TMDs کے مزید رازوں کو بھی کھولنا جاری رکھا۔

کارنیل میں، میک نے الیکٹران کی نقل و حمل کی پیمائش کا فن سیکھا - آپٹکس کے علاوہ الیکٹرانوں کی نقل و حرکت کا اندازہ لگانے کا دوسرا اہم طریقہ۔ اس مہارت نے اسے اور شان کو ایک ایسے شعبے میں دوہرا خطرہ بنا دیا جہاں محققین عام طور پر کسی نہ کسی قسم میں مہارت رکھتے ہیں۔ کم نے کہا، "جب بھی میں فائی اور جی سے ملتا ہوں تو میں شکایت کرتا ہوں، 'یہ ناانصافی ہے کہ آپ لوگ ٹرانسپورٹ کرتے ہیں۔' "مجھے کیا کرنا ہے؟"

جوڑی نے TMDs کے بارے میں جتنا زیادہ سیکھا، اتنا ہی زیادہ دلچسپ ہوا۔ محققین عام طور پر الیکٹران کی دو خصوصیات میں سے ایک پر توجہ مرکوز کرتے ہیں: ان کا چارج اور اسپن (یا اندرونی کونیی رفتار)۔ برقی چارج کے بہاؤ کو کنٹرول کرنا جدید الیکٹرانکس کی بنیاد ہے۔ اور الیکٹرانوں کے اسپن کو پلٹانے سے "اسپنٹرونکس" ڈیوائسز بن سکتی ہیں جو مزید معلومات کو چھوٹی جگہوں میں پیک کرتے ہیں۔ 2014 میں، میک نے دریافت کرنے میں مدد کی۔ کہ 2D مولی ڈسلفائیڈ میں الیکٹران ایک خاص، تیسری خاصیت حاصل کر سکتے ہیں: ان الیکٹرانوں کو رفتار کی مخصوص مقدار کے ساتھ حرکت کرنی چاہیے، ایک قابل کنٹرول وصف جسے "وادی" کہا جاتا ہے جس کے بارے میں محققین کا قیاس ہے کہ "ویلی ٹرونکس" ٹیکنالوجی کا ایک تیسرا شعبہ پیدا ہو سکتا ہے۔

اسی سال، ماک اور شان نے TMDs کی ایک اور نمایاں خصوصیت کی نشاندہی کی۔ الیکٹران واحد ہستیاں نہیں ہیں جو کرسٹل کے ذریعے حرکت کرتی ہیں۔ طبیعیات دان "سوراخ" کا بھی پتہ لگاتے ہیں، جب الیکٹران کہیں اور ہاپ کرتے ہیں تو خالی جگہیں پیدا ہوتی ہیں۔ یہ سوراخ حقیقی مثبت چارج شدہ ذرات کی طرح کسی مادے کو گھوم سکتے ہیں۔ الیکٹران سوراخ کو پلگ کرنے سے پہلے کے لمحے میں مثبت سوراخ ایک منفی الیکٹران کو اپنی طرف متوجہ کرتا ہے، جس کو ایکسائٹن کہا جاتا ہے۔ شان اور مک کشش کی پیمائش کی 2D ٹنگسٹن ڈسلینائیڈ میں الیکٹرانوں اور سوراخوں کے درمیان اور اسے ایک عام 3D سیمی کنڈکٹر کے مقابلے میں سینکڑوں گنا زیادہ مضبوط پایا۔ تلاش نے اشارہ کیا کہ TMDs میں excitons خاص طور پر مضبوط ہوسکتے ہیں، اور عام طور پر الیکٹران ہر طرح کی عجیب و غریب چیزیں کرنے کا زیادہ امکان رکھتے ہیں۔

جوڑے نے پنسلوانیا اسٹیٹ یونیورسٹی میں ایک ساتھ پوزیشن حاصل کی اور وہاں ایک لیب شروع کی۔ آخر کار اس بات پر یقین ہو گیا کہ TMDs اپنے کیریئر پر شرط لگانے کے قابل ہیں، انہوں نے مواد کو اپنے نئے گروپ کا مرکز بنا دیا۔ ان کی شادی بھی ہو گئی۔

دریں اثنا، کولمبیا میں Hone کی ٹیم نے دیکھا کہ گرافین کی خصوصیات اس وقت اور زیادہ بڑھ گئی ہیں جب انہوں نے اسے اعلیٰ معیار کے انسولیٹر، بوران نائٹرائیڈ کے اوپر رکھا۔ یہ 2D مواد کے سب سے نئے پہلوؤں میں سے ایک کی ابتدائی مثال تھی: ان کی اسٹیک ایبلٹی۔

ایک 2D مواد کو دوسرے کے اوپر رکھیں، اور پرتیں ایک نینو میٹر کا ایک حصہ الگ بیٹھیں گی - ان کے الیکٹران کے نقطہ نظر سے کوئی فاصلہ نہیں۔ نتیجے کے طور پر، اسٹیک شدہ چادریں مؤثر طریقے سے ایک مادہ میں ضم ہوجاتی ہیں۔ "یہ صرف دو مواد ایک ساتھ نہیں ہے،" وانگ نے کہا۔ "آپ واقعی ایک نیا مواد بناتے ہیں۔"

جبکہ گرافین صرف کاربن ایٹموں پر مشتمل ہوتا ہے، TMD جالیوں کا متنوع خاندان اسٹیکنگ گیم میں درجنوں اضافی عناصر لاتا ہے۔ ہر TMD کی اپنی داخلی صلاحیتیں ہوتی ہیں۔ کچھ مقناطیسی ہیں؛ دوسرے سپر کنڈکٹ۔ محققین اپنی مشترکہ طاقتوں کے ساتھ ان کو فیشن کے مواد سے ملانے اور ملانے کے منتظر تھے۔

لیکن جب ہون کے گروپ نے مولی ڈسلفائیڈ کو ایک انسولیٹر پر رکھا تو اسٹیک کی خصوصیات نے گرافین میں جو کچھ دیکھا تھا اس کے مقابلے میں کم فائدہ ظاہر کیا۔ بالآخر انہیں احساس ہوا کہ انہوں نے TMD کرسٹل کے معیار کی جانچ نہیں کی تھی۔ جب ان کے کچھ ساتھیوں نے انفرادی ایٹموں کو حل کرنے کے قابل مائکروسکوپ کے نیچے اپنے مولی ڈسلفائیڈ کو چپکا دیا تو وہ دنگ رہ گئے۔ کچھ ایٹم غلط جگہ پر بیٹھ گئے، جبکہ دیگر مکمل طور پر غائب ہو چکے تھے۔ 1 میں سے زیادہ سے زیادہ 100 جالی سائٹس میں کچھ مسئلہ تھا، جس سے جالی کی الیکٹرانوں کو براہ راست کرنے کی صلاحیت میں رکاوٹ تھی۔ گرافین، اس کے مقابلے میں، کمال کی تصویر تھی، جس میں فی ملین ایٹم میں تقریباً ایک نقص تھا۔ "ہمیں آخرکار احساس ہوا کہ جو سامان ہم خرید رہے تھے وہ مکمل کوڑا کرکٹ تھا،" ہون نے کہا۔

2016 کے آس پاس، اس نے تحقیقی درجے کے TMDs کو بڑھانے کے کاروبار میں جانے کا فیصلہ کیا۔ اس نے پوسٹ ڈاک کو بھرتی کیا، ڈینیئل روڈسانتہائی اعلی درجہ حرارت پر خام مال کے پاؤڈر پگھلا کر اور پھر انہیں برفانی رفتار سے ٹھنڈا کر کے کرسٹل اگانے کے تجربے کے ساتھ۔ "یہ پانی میں چینی سے راک کینڈی اگانے جیسا ہے،" ہون نے وضاحت کی۔ تجارتی طریقوں کے لیے چند دنوں کے مقابلے نئے عمل میں ایک مہینہ لگا۔ لیکن اس نے کیمیکل کیٹلاگ میں فروخت ہونے والے ٹی ایم ڈی کرسٹل سینکڑوں سے ہزاروں گنا بہتر بنائے۔

اس سے پہلے کہ شان اور ماک ہون کے بڑھتے ہوئے قدیم کرسٹل سے فائدہ اٹھا سکیں، انہیں یہ معلوم کرنے کے غیر مسحور کن کام کا سامنا کرنا پڑا کہ مائکروسکوپک فلیکس کے ساتھ کیسے کام کیا جائے جو الیکٹران کو قبول کرنا پسند نہیں کرتے۔ الیکٹرانوں کو پمپ کرنے کے لیے (ٹرانسپورٹ تکنیک کی بنیاد میک نے پوسٹ ڈاک کے طور پر اٹھائی تھی)، جوڑے نے ان گنت تفصیلات پر غور کیا: الیکٹروڈ کے لیے کس قسم کی دھات استعمال کی جائے، اسے TMD سے کتنی دور رکھا جائے، یہاں تک کہ کون سے کیمیکلز رابطوں کو صاف کرنے کے لئے استعمال کریں۔ میک نے کہا کہ الیکٹروڈز کو ترتیب دینے کے لامتناہی طریقوں کو آزمانا سست اور محنت طلب تھا - "اس کو بہتر کرنے یا اس کو تھوڑا تھوڑا کرنے کا ایک وقت طلب عمل،" میک نے کہا۔

انہوں نے یہ معلوم کرنے میں بھی برسوں گزارے کہ خوردبین فلیکس کو کیسے اٹھانا اور اسٹیک کرنا ہے، جو ایک میٹر کے دسویں حصے کے دسویں حصے کی پیمائش کرتے ہیں۔ اس قابلیت کے ساتھ ساتھ Hone کے کرسٹل اور بہتر برقی رابطوں کے ساتھ، 2018 میں سب کچھ ایک ساتھ آ گیا۔

کارنیل میں کامیابیاں

"آج، کسی وجہ سے ہر چیز کو اٹھانا مشکل ہے،" میک اور شان کے گروپ کے ایک گریجویٹ طالب علم ژینگ چاو ژیا نے کہا، کیونکہ بوران نائٹرائڈ فلیک کا سیاہ سلیویٹ چھلکے اور نیچے سلیکون کی سطح پر گرنے کا خطرہ ہے۔ مڈغاسکر کی شکل والی شیٹ سعودی عرب سے مشابہہ گریفائٹ کے ایک ٹکڑے سے بہت کمزوری سے چمٹی ہوئی تھی، جیسا کہ کاغذ حال ہی میں رگڑے ہوئے غبارے کی کڑکتی ہوئی سطح سے چمٹ سکتا ہے۔ گریفائٹ، بدلے میں، شیشے کی سلائیڈ سے منسلک پلاسٹک کے ایک گوئے شبنم سے چپک گیا۔ Xia نے ایک کمپیوٹر انٹرفیس کا استعمال کرتے ہوئے ایک موٹرائزڈ اسٹینڈ کو سلائیڈ کو پکڑنے کے لیے استعمال کیا۔ جیسا کہ ایک آرکیڈ جانے والا جوائے اسٹک کے ساتھ پنجوں کی مشین کو چلا سکتا ہے، اس نے نہایت خوش اسلوبی سے ایک میٹر فی ماؤس کلک کے دس لاکھویں حصے کے پانچویں حصے کی شرح سے اسٹیک کو ہوا میں اٹھایا، کمپیوٹر مانیٹر کی طرف غور سے یہ دیکھنے کے لیے کہ آیا اس کے پاس موجود ہے یا نہیں۔ بوران نائٹرائیڈ فلیک کو کامیابی سے پکڑ لیا گیا۔

وہ تھا. چند مزید کلکس کے ساتھ دو پرتوں کا اسٹیک مفت میں آیا، اور زیا تیزی سے لیکن جان بوجھ کر فلیکس کو وسیع دھاتی الیکٹروڈز کے ساتھ سرایت شدہ تیسرے مواد پر جمع کرنے کے لیے آگے بڑھا۔ کچھ اور کلکس کے ساتھ اس نے سطح کو گرم کیا، سلائیڈ کے پلاسٹک کے چپکنے والے کو پگھلا کر اس سے پہلے کہ ہم دونوں میں سے کوئی بھی خوردبینی ڈیوائس کو چھین لے۔

"میں ہمیشہ یہ ڈراؤنا خواب دیکھتا ہوں کہ یہ غائب ہو جائے،" اس نے کہا۔

شروع سے ختم ہونے تک، ایک سادہ ڈیوائس کے نچلے نصف حصے کو جمع کرنے میں Xia کو ایک گھنٹے سے زیادہ کا وقت لگا تھا - جو کھلے چہرے والے PB&J کے برابر تھا۔ اس نے مجھے ایک اور اسٹیک دکھایا جو اس نے حال ہی میں اکٹھا کیا تھا اور اس میں سے کچھ اجزاء کو ہٹا دیا تھا، جس میں TMDs tungsten diselenide اور moly ditelluride شامل تھے۔ درجنوں خوردبینی سینڈویچز میں سے ایک جو اس نے پچھلے سال کے دوران بنایا اور اس کا مطالعہ کیا، ایک ڈیوائس کے اس ڈیگ ووڈ کی کل 10 تہیں تھیں اور اسے جمع ہونے میں کئی گھنٹے لگے۔

2D مواد کی یہ اسٹیکنگ، جو کولمبیا، میساچوسٹس انسٹی ٹیوٹ آف ٹیکنالوجی، برکلے، ہارورڈ اور دیگر اداروں کی لیبز میں بھی کی جاتی ہے، کنڈینسڈ مادے کے طبیعیات دانوں کے ایک دیرینہ خواب کی تعبیر کی نمائندگی کرتی ہے۔ اب محققین کو زمین میں پائے جانے والے مواد تک محدود نہیں رکھا گیا ہے یا لیبارٹری میں آہستہ آہستہ اگایا گیا ہے۔ اب وہ لیگو اینٹوں کے جوہری مساوی کے ساتھ کھیل سکتے ہیں، مطلوبہ خصوصیات کے ساتھ بیسپوک ڈھانچے کی تعمیر کے لیے چادروں کو ایک ساتھ توڑ سکتے ہیں۔ جب TMD ڈھانچے کو جمع کرنے کی بات آتی ہے تو، بہت کم لوگ کارنیل گروپ تک گئے ہیں۔

کارنیل میں میک اور شان کی پہلی بڑی دریافت excitons سے متعلق ہے، مضبوطی سے جکڑے ہوئے الیکٹران ہول جوڑے انہوں نے 2014 میں TMDs میں دیکھے تھے۔quasiparticlesگاڑھا مادے کی طبیعیات کے بارہماسی مقصد کو حاصل کرنے کے لیے ایک چکر کا راستہ پیش کر سکتا ہے: کمرے کے درجہ حرارت کی سپر کنڈکٹیویٹی۔

Excitons الیکٹران الیکٹران کے جوڑوں کے طور پر ایک ہی فنکی قواعد کے ساتھ کھیلتے ہیں؛ یہ الیکٹران ہول جوڑے بھی بوسنز بن جاتے ہیں، جو انہیں ایک مشترکہ کوانٹم حالت میں "کنڈینس" کرنے دیتا ہے جسے بوس-آئنسٹائن کنڈینسیٹ کہا جاتا ہے۔ quasiparticles کا یہ مربوط گروہ کوانٹم خصلتوں کو ظاہر کر سکتا ہے جیسے کہ سپر فلوئڈیٹی، بغیر کسی مزاحمت کے بہنے کی صلاحیت۔ (جب ایک سپر فلوڈ برقی کرنٹ لے جاتا ہے تو یہ سپر کنڈکٹ ہوتا ہے۔)

لیکن مکروہ الیکٹران کے برعکس، الیکٹران اور سوراخ جوڑنا پسند کرتے ہیں۔ محققین کا کہنا ہے کہ یہ ممکنہ طور پر ان کے گلو کو مضبوط بناتا ہے۔ ایکسائٹن پر مبنی سپر کنڈکٹیویٹی کو درپیش چیلنجز الیکٹران کو سوراخ کو بھرنے سے روکنے، اور برقی طور پر غیر جانبدار جوڑوں کو کرنٹ میں بہنے میں مضمر ہیں۔ اب تک، ماک اور شان نے پہلا مسئلہ حل کر لیا ہے اور دوسرے سے نمٹنے کا منصوبہ ہے۔

ایٹموں کے بادلوں کو طاقتور لیزرز کے ساتھ مطلق صفر سے اوپر والے بالوں میں ٹھنڈا کر کے کنڈینسیٹ بنانے میں شامل کیا جا سکتا ہے۔ لیکن نظریاتی ماہرین نے طویل عرصے سے شبہ کیا ہے کہ زیادہ درجہ حرارت پر excitons کے کنڈینسیٹس بن سکتے ہیں۔ Cornell گروپ نے اپنے اسٹیک ایبل TMDs کے ساتھ اس خیال کو حقیقت بنایا۔ دو پرتوں والے سینڈویچ کا استعمال کرتے ہوئے، انہوں نے اوپری تہہ میں اضافی الیکٹران ڈالے اور نیچے سے الیکٹران ہٹائے، سوراخ چھوڑ دیا۔ الیکٹرانوں اور سوراخوں کو جوڑا بنا کر ایکزٹون بناتے ہیں جو دیرپا ہوتے ہیں کیونکہ الیکٹرانوں کو اپنے شراکت داروں کو بے اثر کرنے کے لیے مخالف پرت پر چھلانگ لگانے میں دشواری ہوتی ہے۔ اکتوبر 2019 میں، گروپ اطلاع دی گئی علامات ایک بلمی 100 کیلونز پر ایک ایکسائٹن کنڈینسیٹ کا۔ اس سیٹ اپ میں، excitons دسیوں نینو سیکنڈز تک برقرار رہے، جو اس قسم کے quasiparticle کے لیے زندگی بھر ہے۔ 2021 کے موسم خزاں میں، گروپ نے ایک بہتر اپریٹس کو بیان کیا جہاں ایسا لگتا ہے کہ excitons ملی سیکنڈ تک چلتے ہیں، جسے میک نے "عملی طور پر ہمیشہ کے لیے" کہا ہے۔

ٹیم اب تعاقب کر رہی ہے۔ ایک سکیم 2008 میں ایک ایکسائٹن کرنٹ بنانے کے لیے تھیوریسٹوں کے ذریعہ من گھڑت۔ ایلن میکڈونلڈ، یونیورسٹی آف ٹیکساس، آسٹن کے ایک ممتاز کنڈینسڈ مادّہ تھیوریسٹ، اور اس کے گریجویٹ طالب علم Jung-Jung Su نے ایک الیکٹرک فیلڈ کو اس طریقے سے لگا کر غیر جانبدار excitons بہاؤ بنانے کی تجویز پیش کی جو الیکٹران اور سوراخ دونوں کو ایک ہی سمت میں حرکت کرنے کی ترغیب دیتا ہے۔ اسے لیب میں اتارنے کے لیے، کارنیل گروپ کو ایک بار پھر اپنے بارہماسی دشمن، برقی رابطوں سے مقابلہ کرنا چاہیے۔ اس صورت میں، انہیں الیکٹروڈ کے متعدد سیٹوں کو TMD تہوں کے ساتھ جوڑنا پڑتا ہے، کچھ کو excitons بنانے کے لیے اور دوسروں کو منتقل کرنے کے لیے۔

شان اور میک کا خیال ہے کہ وہ جلد ہی 100 کیلونز تک ایکزٹون حاصل کرنے کے راستے پر ہیں۔ یہ ایک شخص کے لیے ایک ٹھنڈا کمرہ ہے (−173 ڈگری سیلسیس یا −280 ڈگری فارن ہائیٹ)، لیکن یہ نانوکیلون حالات سے بہت بڑی چھلانگ ہے جس کی زیادہ تر بوسونک کنڈینسیٹس کو ضرورت ہوتی ہے۔

"یہ بذات خود ایک اچھی کامیابی ہوگی،" میک نے ایک چالاک مسکراہٹ کے ساتھ کہا، "درجہ حرارت کو ایک ارب گنا تک گرم کرنا۔"

جادوئی موئیر مواد

2018 میں، جب کورنیل لیب نے اپنے TMD تجربات کو تیز کیا، ایک اور گرافین سرپرائز نے دوسرا 2D میٹریل انقلاب شروع کیا۔ پابلو جاریلو-ہیریرو، MIT کے ایک محقق اور کولمبیا کے ایک اور ایلم نے اعلان کیا کہ نیچے کی پرت کے حوالے سے گرافین کی ایک تہہ کو گھمانے سے ایک جادوئی نیا 2D مواد پیدا ہوا۔ راز یہ تھا کہ اوپری تہہ کو اس طرح گرا دیا جائے کہ اس کے مسدس ہلکے "موڑ" کے ساتھ اترے تاکہ وہ نیچے کے مسدس کے خلاف بالکل 1.1 ڈگری گھمائے جائیں۔ یہ زاویہ کی غلط ترتیب ایٹموں کے درمیان ایک آفسیٹ کا سبب بنتی ہے جو کہ بڑھتے اور سکڑتے ہیں جب آپ کسی مادے پر جاتے ہیں، بڑے "سپر سیلز" کا ایک بار بار پیٹرن پیدا کرتے ہیں جسے موئیر سپرلیٹس کہا جاتا ہے۔ میک ڈونلڈ اور ایک ساتھی کے پاس تھا۔ 2011 میں شمار کیا گیا تھا۔ کہ 1.1 ڈگری کے "جادوئی زاویہ" پر، سپر لیٹیس کا منفرد کرسٹل ڈھانچہ گرافین کے الیکٹرانوں کو اپنے پڑوسیوں کی پسپائی کو سست اور محسوس کرنے پر مجبور کرے گا۔

جب الیکٹران ایک دوسرے سے واقف ہوجاتے ہیں تو عجیب و غریب چیزیں ہوتی ہیں۔ عام انسولیٹروں، کنڈکٹرز اور سیمی کنڈکٹرز میں، الیکٹران کے بارے میں سوچا جاتا ہے کہ وہ صرف ایٹموں کی جالی کے ساتھ تعامل کرتے ہیں۔ وہ ایک دوسرے کو دیکھنے کے لیے بہت تیزی سے دوڑتے ہیں۔ لیکن رینگنے کی رفتار کم ہونے پر، الیکٹران ایک دوسرے کو جھٹک سکتے ہیں اور اجتماعی طور پر غیر ملکی کوانٹم ریاستوں کی ایک درجہ بندی کو فرض کر سکتے ہیں۔ Jarillo-Herrero کے تجربات نے ثابت کیا کہ، کے لیے خراب سمجھا گیا وجوہات، بٹی ہوئی، جادوئی زاویہ گرافین میں یہ الیکٹران سے الیکٹران مواصلات کو جنم دیتا ہے سپر کنڈکٹیویٹی کی خاص طور پر مضبوط شکل.

graphene moiré superlattice نے محققین کو الیکٹرانوں کو کنٹرول کرنے کے ایک بنیادی نئے طریقے سے بھی متعارف کرایا۔ سپر لیٹیس میں، الیکٹران انفرادی ایٹموں سے غافل ہو جاتے ہیں اور خود سپر سیلز کا تجربہ کرتے ہیں گویا وہ بڑے ایٹم ہیں۔ یہ اجتماعی کوانٹم ریاستیں بنانے کے لیے کافی الیکٹرانوں کے ساتھ سپر سیلز کو آباد کرنا آسان بناتا ہے۔ فی سپر سیل الیکٹرانوں کی اوسط تعداد کو ڈائل کرنے یا نیچے کرنے کے لیے برقی فیلڈ کا استعمال کرتے ہوئے، Jarillo-Herrero کا گروپ اپنے بٹی ہوئی بیلیئر گرافین ڈیوائس کو سپر کنڈکٹر کے طور پر کام کرنے میں کامیاب رہا۔ ایک انسولیٹر، یا ڈسپلے a دوسرے کا بیڑا, اجنبی الیکٹران کے رویے.

دنیا بھر کے طبیعیات دان "ٹوئسٹرونکس" کے ابتدائی میدان میں پہنچ گئے۔ لیکن بہت سے لوگوں نے پایا ہے کہ موڑنا مشکل ہے۔ ایٹموں کے پاس "جادو" 1.1 ڈگری غلط ترتیب میں صاف طور پر گرنے کی کوئی وجہ نہیں ہے، لہذا چادریں ان طریقوں سے جھریاں پڑتی ہیں جو ان کی خصوصیات کو مکمل طور پر تبدیل کرتی ہیں۔ زیا، کارنیل گریجویٹ طالب علم، نے کہا کہ اس کے دیگر یونیورسٹیوں میں بہت سے دوست ہیں جو مڑے ہوئے آلات کے ساتھ کام کر رہے ہیں۔ کام کرنے والا آلہ بنانے میں انہیں عام طور پر درجنوں کوششیں کرنا پڑتی ہیں۔ اور پھر بھی، ہر آلہ مختلف طریقے سے برتاؤ کرتا ہے، لہذا مخصوص تجربات کو دہرانا تقریباً ناممکن ہے۔

TMDs moiré superlattices بنانے کا ایک بہت آسان طریقہ پیش کرتے ہیں۔ چونکہ مختلف TMDs میں مختلف سائز کی مسدس جالییں ہوتی ہیں، اس لیے ایک چھوٹی جالی پر قدرے بڑے مسدس کی جالی اسٹیک کرنے سے ایک moiré پیٹرن بنتا ہے جس طرح زاویہ کی غلط ترتیب ہوتی ہے۔ اس صورت میں، کیونکہ تہوں کے درمیان کوئی گردش نہیں ہوتی ہے، اس لیے اسٹیک کے اپنی جگہ پر گرنے اور ساکن رہنے کا زیادہ امکان ہوتا ہے۔ جب Xia ایک TMD moiré ڈیوائس بنانے کے لیے نکلتی ہے، اس نے کہا، وہ عام طور پر پانچ میں سے چار بار کامیاب ہوتی ہے۔

TMD moiré مواد الیکٹران کے تعاملات کو تلاش کرنے کے لیے مثالی کھیل کے میدان بناتے ہیں۔ چونکہ مواد سیمی کنڈکٹر ہیں، اس لیے ان کے الیکٹران بھاری ہو جاتے ہیں جب وہ مواد میں سے گزرتے ہیں، گرافین میں جنونی الیکٹرانوں کے برعکس۔ اور بہت بڑے موئیر سیل ان کو مزید سست کر دیتے ہیں: جب کہ الیکٹران اکثر ایٹموں کے درمیان "سرنگ" کے ذریعے منتقل ہوتے ہیں، ایک کوانٹم مکینیکل رویہ ٹیلی پورٹیشن کے مترادف ہوتا ہے، موئیر جالی میں ٹنلنگ شاذ و نادر ہی ہوتی ہے، کیونکہ سپر سیل اپنے اندر موجود ایٹموں کے مقابلے میں تقریباً 100 گنا آگے بیٹھتے ہیں۔ . فاصلہ الیکٹرانوں کو بسنے میں مدد کرتا ہے اور انہیں اپنے پڑوسیوں کو جاننے کا موقع فراہم کرتا ہے۔

شان اور مک کے دوستانہ حریف، فینگ وانگ، TMD moiré superlattices کی صلاحیت کو پہچاننے والے اولین میں سے ایک تھے۔ لفافے کے پیچھے کے حسابات نے تجویز کیا کہ ان مواد کو الیکٹرانوں کو منظم کرنے کے آسان ترین طریقوں میں سے ایک کو جنم دینا چاہئے - ایک ایسی حالت جسے وگنر کرسٹل کے نام سے جانا جاتا ہے، جہاں باہمی ریپلیشن سستی الیکٹرانوں کو جگہ پر بند کر دیتی ہے۔ وانگ کی ٹیم نے دیکھا ایسی ریاستوں کی نشانیاں 2020 میں اور شائع ہوا۔ پہلی تصویر ایک دوسرے کو بازو کی لمبائی میں پکڑے ہوئے الیکٹرانوں کی فطرت، قدرت 2021 میں۔ اس وقت تک، Wang کی TMD moiré سرگرمیوں کا لفظ پہلے ہی tightknit 2D فزکس کمیونٹی میں پھیل چکا تھا، اور Cornell TMD فیکٹری اپنے TMD moiré آلات کو تیار کر رہی تھی۔ شان اور ماک نے بھی 2020 میں TMD سپر لیٹیسس میں وگنر کرسٹل کے ثبوت کی اطلاع دی اور مہینوں کے اندر دریافت کیا کہ ان کے آلات میں الیکٹران تقریباً کرسٹلائز ہو سکتے ہیں۔ دو درجن مختلف وگنر کرسٹل پیٹرن.

ایک ہی وقت میں، کارنیل گروپ TMD moiré مواد کو ایک پاور ٹول میں بھی تیار کر رہا تھا۔ میک ڈونلڈ اور معاونین پیشن گوئی کی تھی 2018 میں کہ ان آلات میں تکنیکی خصوصیات کا صحیح امتزاج ہے تاکہ وہ کنڈینسڈ مادے کی طبیعیات میں کھلونا کے سب سے اہم ماڈلز میں سے ایک کی بہترین نمائندگی کریں۔ ہبارڈ ماڈل، جیسا کہ اسے کہا جاتا ہے، ایک نظریاتی نظام ہے جو الیکٹران کے مختلف رویوں کو سمجھنے کے لیے استعمال ہوتا ہے۔ آزادانہ طور پر تجویز کردہ 1963 میں مارٹن گٹز ویلر، جنجیرو کاناموری اور جان ہبارڈ کے ذریعہ، یہ ماڈل طبیعیات دانوں کی عملی طور پر لاتعداد قسم کے کرسٹل لائنوں کو ان کی انتہائی ضروری خصوصیات تک اتارنے کی بہترین کوشش ہے۔ الیکٹران کی میزبانی کرنے والے ایٹموں کے گرڈ کی تصویر بنائیں۔ ہبارڈ ماڈل فرض کرتا ہے کہ ہر الیکٹران دو مسابقتی قوتوں کو محسوس کرتا ہے: یہ پڑوسی ایٹموں کی طرف سرنگ لگا کر منتقل ہونا چاہتا ہے، لیکن اسے اس کے پڑوسیوں نے بھی پسپا کر دیا ہے، جس کی وجہ سے وہ جہاں ہے وہیں رہنا چاہتا ہے۔ مختلف طرز عمل اس بات پر منحصر ہوتے ہیں کہ کون سی خواہش سب سے زیادہ مضبوط ہے۔ ہبارڈ ماڈل کے ساتھ واحد مسئلہ یہ ہے کہ سب سے آسان صورت میں - ایٹموں کی 1D تار - یہ ریاضیاتی طور پر ناقابل حل ہے۔

میکڈونلڈ اور ساتھیوں کے مطابق، TMD moiré میٹریل ہبارڈ ماڈل کے "سمولیٹر" کے طور پر کام کر سکتا ہے، ممکنہ طور پر فیلڈ کے کچھ گہرے اسرار کو حل کر سکتا ہے، جیسے کہ گلو کی نوعیت جو الیکٹرانوں کو کپریٹس میں سپر کنڈکٹنگ جوڑوں میں باندھتی ہے۔ ایک ناممکن مساوات کے ساتھ جدوجہد کرنے کے بجائے، محققین TMD سینڈوچ میں الیکٹرانوں کو ڈھیلا کر سکتے ہیں اور دیکھ سکتے ہیں کہ انہوں نے کیا کیا۔ "ہم اس ماڈل کو لکھ سکتے ہیں، لیکن بہت سے اہم سوالات کا جواب دینا بہت مشکل ہے،" میک ڈونلڈ نے کہا۔ "اب ہم اسے صرف ایک تجربہ کر کے کر سکتے ہیں۔ یہ واقعی اہم ہے۔"

اپنا Hubbard ماڈل سمیلیٹر بنانے کے لیے، شان اور ماک نے ٹنگسٹن ڈسیلینائیڈ اور ٹنگسٹن سلفائیڈ کی تہوں کو موئیر سپرلیٹس بنانے کے لیے اسٹیک کیا، اور انہوں نے TMD سینڈوچ سے گزرنے والے برقی میدان کو ڈائل کرنے یا نیچے کرنے کے لیے الیکٹروڈ منسلک کیا۔ برقی میدان کنٹرول کرتا تھا کہ ہر سپر سیل کو کتنے الیکٹران بھریں گے۔ چونکہ خلیے دیو ہیکل ایٹموں کی طرح کام کرتے ہیں، اس لیے فی سپر سیل ایک الیکٹران سے دو الیکٹران تک جانا ہائیڈروجن ایٹموں کی جالی کو ہیلیم ایٹموں کی جالی میں تبدیل کرنے کے مترادف تھا۔ ان میں ابتدائی Hubbard ماڈل اشاعت in فطرت، قدرت مارچ 2020 میں، انہوں نے دو الیکٹرانوں کے ساتھ نقلی ایٹموں کی اطلاع دی۔ آج، وہ آٹھ تک جا سکتے ہیں۔ کچھ معنوں میں، وہ سیسہ کو سونے میں بدلنے کے قدیم مقصد کو سمجھ چکے تھے۔ "یہ کیمسٹری کو ٹیوننگ کرنے کی طرح ہے،" میک نے کہا، "متواتر جدول سے گزرنا۔" اصولی طور پر، وہ فرضی ایٹموں کا ایک گرڈ بھی بنا سکتے ہیں، کہیے، ہر ایک میں 1.38 الیکٹران ہیں۔

اس کے بعد، گروپ نے مصنوعی ایٹموں کے دلوں کو دیکھا۔ زیادہ الیکٹروڈ کے ساتھ، وہ بڑے مصنوعی ایٹموں کے مراکز میں مثبت پروٹون شامل کرنے کے مترادف تبدیلیاں کرکے سپر سیلز کے "ممکنہ" کو کنٹرول کر سکتے ہیں۔ ایک نیوکلئس میں جتنا زیادہ چارج ہوتا ہے، الیکٹرانوں کے لیے سرنگوں سے دور ہونا اتنا ہی مشکل ہوتا ہے، اس لیے یہ برقی میدان انھیں ہاپنگ کے رجحان کو بڑھانے اور کم کرنے دیتا ہے۔

ماک اور شان کا دیوہیکل ایٹموں پر کنٹرول — اور اسی لیے ہبارڈ ماڈل — مکمل تھا۔ TMD moiré نظام انہیں ersatz ایٹموں کا ایک گرڈ طلب کرنے دیتا ہے، یہاں تک کہ وہ بھی جو فطرت میں موجود نہیں ہیں، اور اپنی مرضی کے مطابق انہیں آسانی سے تبدیل کر سکتے ہیں۔ یہ ایک ایسی طاقت ہے جو میدان کے دوسرے محققین کے لیے بھی جادو کی سرحدوں پر ہے۔ کم نے کہا، "اگر میں ان کی سب سے زیادہ دلچسپ اور متاثر کن کوششوں کو اکٹھا کروں، تو یہی ہے۔"

کارنیل گروپ نے 70 سال پرانی بحث کو حل کرنے کے لیے اپنے ڈیزائنر ایٹموں کو تیزی سے استعمال کیا۔ سوال یہ تھا: کیا ہوگا اگر آپ ایک انسولیٹر لے سکتے ہیں اور اس کے ایٹموں کو موافقت کر کے اسے چلانے والی دھات میں تبدیل کر سکتے ہیں؟ تبدیلی آہستہ آہستہ ہوگی یا اچانک؟

شان اور ماک نے اپنی لیب میں سوچنے کا تجربہ کیا۔ سب سے پہلے انہوں نے بھاری ایٹموں کی تقلید کی، جس نے الیکٹرانوں کو پھنسایا تاکہ TMD سپرلاٹیس ایک انسولیٹر کی طرح کام کرے۔ پھر انہوں نے ایٹموں کو سکڑ دیا، جال کو کمزور کیا جب تک کہ الیکٹران آزادی کی طرف بڑھنے کے قابل نہ ہو گئے، اور سپر لیٹیس کو چلانے والی دھات بننے دیا۔ بتدریج گرتی ہوئی برقی مزاحمت کا مشاہدہ کرتے ہوئے جب سپرلاٹیس ایک دھات کی طرح تیزی سے کام کرتی ہے، انہوں نے ظاہر کیا کہ منتقلی اچانک نہیں ہوتی۔ یہ تلاش، جو انہوں نے اعلان کیا in فطرت، قدرت پچھلے سال، اس امکان کو کھولتا ہے کہ سپر لیٹیس کے الیکٹران ایک طویل عرصے سے مطلوب قسم کی روانی حاصل کرنے کے قابل ہو سکتے ہیں کوانٹم اسپن مائع. میک نے کہا کہ "یہ سب سے دلچسپ مسئلہ ہو سکتا ہے جس سے کوئی نمٹ سکتا ہے۔"

تقریباً ایک ہی وقت میں، جوڑے نے اس میں خوش قسمتی حاصل کی جسے کچھ طبیعیات دان اپنی اب تک کی سب سے اہم دریافت سمجھتے ہیں۔ میک نے کہا، "یہ دراصل ایک مکمل حادثہ تھا۔ "کسی کو اس کی توقع نہیں تھی۔"

جب انہوں نے اپنی ہبارڈ سمیلیٹر تحقیق شروع کی تو محققین نے TMD سینڈوچ کا استعمال کیا جس میں دو تہوں پر مسدس سیدھ میں ہیں، ٹرانزیشن میٹلز کے اوپر ٹرانزیشن میٹلز اور چالکوجینائیڈز کے اوپر چلکوجینائیڈز۔ (اس وقت جب انہوں نے بتدریج انسولیٹر سے دھات کی منتقلی کو دریافت کیا۔) پھر، سنجیدگی سے، انہوں نے ایسے آلات کے ساتھ تجربہ دہرایا جس میں اوپر کی تہہ کو پیچھے کی طرف اسٹیک کیا گیا تھا۔

پہلے کی طرح، مزاحمت گرنا شروع ہو گئی کیونکہ الیکٹران اُچھلنے لگے۔ لیکن پھر یہ اچانک ڈوب گیا، اتنا نیچے چلا گیا کہ محققین نے سوچا کہ کیا موئیر نے سپر کنڈکٹ ہونا شروع کر دیا ہے۔ مزید دریافت، اگرچہ، وہ مزاحمت کا ایک نادر نمونہ ماپا کوانٹم غیر معمولی ہال اثر کے طور پر جانا جاتا ہے - اس بات کا ثبوت کہ کچھ اور بھی عجیب ہو رہا تھا۔ اثر نے اشارہ کیا کہ آلے کا کرسٹل ڈھانچہ مواد کے کنارے کے ساتھ الیکٹرانوں کو مرکز میں موجود الیکٹرانوں سے مختلف طریقے سے کام کرنے پر مجبور کر رہا تھا۔ آلے کے وسط میں، الیکٹران ایک موصل حالت میں پھنس گئے تھے۔ لیکن فریم کے ارد گرد، وہ ایک سمت میں بہتے تھے - انتہائی کم مزاحمت کی وضاحت کرتے ہوئے۔ حادثاتی طور پر، محققین نے ایک انتہائی غیر معمولی اور نازک قسم کا مادہ بنایا تھا جسے چرن انسولیٹر کہا جاتا ہے۔

کوانٹم غیر معمولی ہال اثر، پہلی بار 2013 میں منایا گیا، عام طور پر الگ ہوجاتا ہے اگر درجہ حرارت کیلون کے چند سوویں حصے سے زیادہ بڑھ جائے۔ 2019 میں، سانتا باربرا میں ینگز گروپ نے اسے دیکھا تھا۔ ایک بار مڑا ہوا گرافین سینڈوچ تقریباً 5 کیلونز پر۔ اب شان اور مک نے تقریباً ایک ہی درجہ حرارت پر اثر حاصل کر لیا تھا، لیکن بغیر موڑ والے TMD ڈیوائس میں جسے کوئی بھی دوبارہ بنا سکتا ہے۔ ینگ نے کہا، "ہمارا درجہ حرارت زیادہ تھا، لیکن میں کسی بھی دن ان کو لے لوں گا کیونکہ وہ لگاتار 10 بار کر سکتے ہیں۔" اس کا مطلب ہے کہ آپ اسے سمجھ سکتے ہیں "اور اسے حقیقت میں کچھ کرنے کے لیے استعمال کر سکتے ہیں۔"

میک اور شان کا خیال ہے کہ، کچھ ہلچل کے ساتھ، وہ چرن انسولیٹر بنانے کے لیے TMD moiré میٹریل استعمال کر سکتے ہیں جو 50 یا 100 کیلون تک زندہ رہتے ہیں۔ اگر وہ کامیاب ہو جاتے ہیں، تو یہ کام بغیر کسی مزاحمت کے کرنٹ کو بہنے کے لیے ایک اور طریقہ کی طرف لے جا سکتا ہے - کم از کم چھوٹے "نانوائرز" کے لیے، جسے وہ کسی آلے کے اندر مخصوص جگہوں پر آن اور آف کرنے کے قابل بھی ہو سکتے ہیں۔

فلیٹ لینڈ میں ایکسپلوریشن

یہاں تک کہ جیسے ہی تاریخی نتائج کے ڈھیر لگ جاتے ہیں، جوڑے میں سست ہونے کے کوئی آثار نظر نہیں آتے۔ جس دن میں نے دورہ کیا، ماک نے طالب علموں کو ایک بہت بڑے ڈیلیشن ریفریجریٹر کے ساتھ ٹنکر کے طور پر دیکھا جس کی مدد سے وہ اپنے آلات کو اس درجہ حرارت پر ٹھنڈا کرنے دیں گے جس کے ساتھ انہوں نے اب تک کام کیا ہے۔ "گرم" حالات میں دریافت کرنے کے لیے اتنی طبیعیات موجود ہیں کہ اس گروپ کو سپر کنڈکٹیویٹی کی علامات کے لیے گہرے کرائیوجینک دائرے کو اچھی طرح سے تلاش کرنے کا موقع نہیں ملا ہے۔ اگر سپر فرج TMDs کو سپر کنڈکٹ کی اجازت دیتا ہے، تو یہ ایک اور سوال کا جواب دے گا، یہ ظاہر کرتا ہے۔ مقناطیسیت کی ایک شکل جو کپریٹس میں داخل ہے۔ (لیکن TMDs سے غیر حاضر) الیکٹران بائنڈنگ گلو کا لازمی جزو نہیں ہے۔ میک نے کہا کہ "یہ ایک اہم اجزاء کو مارنے کے مترادف ہے جسے نظریہ ساز واقعی ایک طویل عرصے سے مارنا چاہتے تھے۔"

اس نے اور شان اور ان کے گروپ نے کچھ فنکار TMDs کے ساتھ تجربہ کرنا بھی شروع نہیں کیا ہے۔ 2D مواد کے براعظم میں گھومنے پھرنے کے لیے درکار آلات ایجاد کرنے میں برسوں گزارنے کے بعد، وہ آخر کار مولی ڈسلفائیڈ بیچ ہیڈ سے آگے بڑھنے کے لیے تیار ہو رہے ہیں جس پر وہ 2010 میں واپس آئے تھے۔

دونوں محققین نے اپنی کامیابی کو تعاون کی ثقافت سے منسوب کیا جسے انہوں نے کولمبیا میں جذب کیا۔ ان کا کہنا ہے کہ ہون کے ساتھ ابتدائی تعاون جس نے انہیں مولی ڈسلفائیڈ سے متعارف کرایا، وہ ان بہت سے مواقع میں سے ایک تھا جن سے انہوں نے لطف اٹھایا کیونکہ وہ اپنے تجسس کی پیروی کرنے کے لیے آزاد تھے۔ شان نے کہا کہ "ہمیں ان کے منصوبوں پر ان کی لیب کے سربراہ ہینز کے ساتھ بات کرنے کی ضرورت نہیں تھی۔" "ہم نے دوسرے گروہوں کے لوگوں سے بات کی۔ ہم نے تجربات کئے۔ یہاں تک کہ ہم نے چیزیں سمیٹ لیں۔

آج وہ کارنیل میں اسی طرح کے آرام دہ ماحول کو فروغ دیتے ہیں، جہاں وہ دو درجن پوسٹ ڈاکس کی نگرانی کرتے ہیں، محققین اور طلباء کا دورہ کرتے ہیں، جن میں سے سبھی اپنے کام کرنے کے لیے بڑی حد تک آزاد ہیں۔ "طلبہ بہت ہوشیار ہیں اور اچھے خیالات رکھتے ہیں،" میک نے کہا۔ "کبھی کبھی آپ مداخلت نہیں کرنا چاہتے۔"

ان کی شادی بھی ان کی لیب کو منفرد بناتی ہے۔ دونوں نے اپنی ذاتی طاقتوں میں جھکاؤ سیکھ لیا ہے۔ ایک تجربہ کار کے طور پر تخلیقی صلاحیتوں کی کثرت کے علاوہ، شان کے پاس ایک محتاط نظم و ضبط ہے جو اسے ایک اچھا مینیجر بناتا ہے۔ جیسا کہ ہم تینوں نے بات کی، وہ اکثر "پروفیسر فائی" کو پٹری پر واپس لے جانے کی کوشش کرتی تھی جب اس کے فزکس کے لیے جوش نے اسے تکنیکیات میں بہت گہرا دھکیل دیا۔ میک، اپنے حصے کے لیے، لیب کے اندر اور باہر، ابتدائی کیریئر کے محققین کے ساتھ محنت سے لطف اندوز ہوتا ہے۔ اس نے حال ہی میں گروپ کے ساتھ راک چڑھنا شروع کیا۔ "ایسا لگتا ہے کہ ان کی لیب ان کا خاندان ہے،" ینگ نے کہا۔ شان اور میک نے مجھے بتایا کہ وہ اکیلے مل کر اس سے زیادہ حاصل کر سکتے ہیں۔ "ایک جمع ایک دو سے زیادہ ہے،" میک نے کہا۔

وہ جو آلات بنا رہے ہیں وہ ان کے پرزوں کے مجموعے سے بھی زیادہ ہو سکتے ہیں۔ جیسا کہ محققین ٹی ایم ڈی شیٹس کو اکٹھا کرنے کے لیے اکسیٹونز اور موئیر سپرلیٹیسز بنانے کے لیے شامل ہوتے ہیں، وہ اس بارے میں قیاس کرتے ہیں کہ الیکٹرانوں کو پالنے کے نئے طریقے کس طرح ٹیکنالوجی کو سپرچارج کر سکتے ہیں۔ یہاں تک کہ اگر جیب کے لیے تیار سپر کنڈکٹیویٹی مضحکہ خیز رہتی ہے، بوس آئن اسٹائن کنڈینسیٹس انتہائی حساس کوانٹم سینسرز کا باعث بن سکتے ہیں، اور چرن جیسے انسولیٹروں کا بہتر کنٹرول قابل بنا سکتا ہے۔ طاقتور کوانٹم کمپیوٹرز. اور یہ صرف واضح خیالات ہیں۔ مواد سائنس میں بڑھتی ہوئی بہتری اکثر بنیاد پرست ایپلی کیشنز میں اضافہ کرتی ہے جو بہت کم آتے ہیں۔ مثال کے طور پر، جن محققین نے ٹرانزسٹر تیار کیا، وہ ایک انگلی کے ناخن کے سائز کے چپ میں بھرے اربوں خوردبین سوئچز سے چلنے والے اسمارٹ فونز کی پیش گوئی کرنے کے لیے جدوجہد کر رہے ہوں گے۔ اور وہ سائنس دان جنہوں نے شیشے کے ریشوں کو فیشن بنانے کی کوشش کی جو اپنے لیب بینچ میں روشنی لے جاسکتے ہیں وہ یہ نہیں سوچ سکتے تھے کہ 10,000 کلومیٹر زیر سمندر آپٹیکل فائبر کسی دن براعظموں کو جوڑ دیں گے۔ دو جہتی مواد اسی طرح غیر متوقع سمتوں میں تیار ہو سکتے ہیں۔ ہینز نے کہا کہ "واقعی ایک نیا مواد پلیٹ فارم موجودہ مواد کو بے گھر کرنے کے برخلاف اپنی ایپلی کیشنز تیار کرتا ہے۔"

مجھے Ithaca بس اسٹاپ پر لے جاتے ہوئے، شان اور میک نے مجھے ایک حالیہ (اور نایاب) چھٹیوں کے بارے میں بتایا جو وہ بنف، کینیڈا لے گئے تھے، جہاں انہوں نے ایک بار پھر کوشش اور قسمت کے امتزاج کے ذریعے حیرتوں کو ٹھوکریں کھانے کے لیے اپنی مہارت کا مظاہرہ کیا۔ انہوں نے ایک ریچھ کو تلاش کرنے کی کوشش میں دن گزارے تھے۔ پھر، سفر کے اختتام پر، ہوائی اڈے کے راستے پر، وہ ایک نباتاتی ذخیرے پر اپنی ٹانگیں پھیلانے کے لیے رک گئے اور اپنے آپ کو ایک کالے ریچھ سے آمنے سامنے پایا۔

اسی طرح، گاڑھا مادہ طبیعیات کے ساتھ، ان کا نقطہ نظر ایک نئے منظر نامے میں ایک ساتھ گھومنا اور دیکھنا ہے کہ کیا ظاہر ہوتا ہے۔ میک نے کہا، "ہمارے پاس زیادہ نظریاتی رہنمائی نہیں ہے، لیکن ہم صرف بے وقوف بناتے ہیں اور تجربات سے کھیلتے ہیں۔" "یہ ناکام ہو سکتا ہے، لیکن بعض اوقات آپ کسی غیر متوقع چیز سے ٹکرا سکتے ہیں۔"