Molybdenite, ngay cả khi nhìn bằng mắt thường, trông gần giống với than chì - một tinh thể bóng, bạc. Nó cũng hoạt động tương tự, bong ra các mảnh theo cách có thể tạo ra một cây bút chì tốt. Nhưng đối với một electron, hai lưới nguyên tử tạo thành các thế giới khác nhau. Sự khác biệt lần đầu tiên được ghi vào hồ sơ khoa học cách đây 244 năm. Carl Scheele, một nhà hóa học Thụy Điển nổi tiếng với việc khám phá ra oxy, đã nhúng từng khoáng chất vào các loại axit và quan sát những đám mây khí u ám đang cuồn cuộn chảy ra. Scheele, người cuối cùng đã phải trả giá cho cách tiếp cận này bằng mạng sống của mình, chết vì nghi ngờ nhiễm độc kim loại nặng ở tuổi 43, kết luận rằng molybdenite là một chất mới. Mô tả về nó trong một bức thư gửi đến Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển vào năm 1778, ông viết, “Ở đây tôi không nói đến loại than chì thường được biết đến mà người ta có thể lấy được từ thuốc bào chế. Kim loại chuyển tiếp này dường như chưa được biết đến ”.
Với xu hướng bong tróc thành các mảnh bột, molybdenite đã trở thành chất bôi trơn phổ biến trong thế kỷ 20. Nó giúp ván trượt lướt xa hơn trên tuyết và làm trơn tru việc thoát đạn từ các thùng súng trường ở Việt Nam.
Ngày nay, chính sự bong tróc đó đang thúc đẩy một cuộc cách mạng vật lý.
Những bước đột phá bắt đầu với than chì và băng Scotch. Năm 2004, các nhà nghiên cứu tình cờ phát hiện ra rằng họ có thể sử dụng băng dính để bóc các mảnh than chì dày chỉ một nguyên tử. Những tấm tinh thể này, mỗi tấm phẳng gồm các nguyên tử cacbon, có những đặc tính đáng kinh ngạc hoàn toàn khác với những tinh thể ba chiều mà chúng sinh ra. Graphene (như những người phát hiện ra nó đã đặt tên cho nó) là một loại vật chất hoàn toàn mới - vật liệu 2D. Khám phá của nó đã biến đổi ngành vật lý vật chất cô đặc, ngành vật lý tìm cách hiểu nhiều dạng và hành vi của vật chất. Gần một nửa của tất cả các nhà vật lý là các nhà vật lý vật chất ngưng tụ; đó là trường con đã mang lại cho chúng ta chip máy tính, tia laser, bóng đèn LED, máy MRI, tấm pin mặt trời và tất cả những kỳ quan công nghệ hiện đại. Sau khi phát hiện ra graphene, hàng nghìn nhà vật lý vật chất cô đặc bắt đầu nghiên cứu vật liệu mới, hy vọng nó sẽ tạo ra những công nghệ kỳ lạ trong tương lai.
Những người phát hiện ra Graphene đã nhận được giải Nobel Vật lý năm 2010. Cùng năm đó, hai nhà vật lý trẻ tuổi tại Đại học Columbia, Giải Sơn và Kin Fai Mak, đã thấy những dấu hiệu cho thấy các mảnh molybdenite có thể còn kỳ diệu hơn graphene. Khoáng chất ít được biết đến hơn có những đặc tính khiến nó khó nghiên cứu - quá khó đối với nhiều phòng thí nghiệm - nhưng nó đã làm Shan và Mak say mê. Bộ đôi ngoan cường đã cống hiến gần một thập kỷ để quấn lấy molybdenite 2D (hoặc molypden disulfide, như phiên bản tinh thể được trồng trong phòng thí nghiệm được gọi là) và một họ các tinh thể 2D có liên quan chặt chẽ với nhau.
Giờ đây, nỗ lực của họ đang được đền đáp. Shan và Mak, hiện đã kết hôn và điều hành một nhóm nghiên cứu chung tại Đại học Cornell, đã chỉ ra rằng các tinh thể 2D của molypden disulfide và các họ hàng của nó có thể tạo ra rất nhiều hiện tượng lượng tử kỳ lạ. “Đó là một sân chơi điên rồ,” nói James trau dồi, một nhà nghiên cứu tại Columbia, người cung cấp các tinh thể chất lượng cao cho phòng thí nghiệm Cornell. "Bạn có thể làm tất cả các vật lý vật chất ngưng tụ hiện đại trong một hệ thống vật chất."
Nhóm của Shan và Mak đã bắt giữ các electron hoạt động theo những cách chưa từng có trong các tinh thể phẳng này. Họ đã dụ các hạt hợp nhất thành một chất lỏng lượng tử và đóng băng thành một loại cấu trúc giống nhau. Họ đã học cách tập hợp các mạng lưới nguyên tử nhân tạo khổng lồ hiện đang đóng vai trò là giường thử nghiệm cho các lý thuyết cơ bản về vật chất. Kể từ khi mở phòng thí nghiệm Cornell của họ vào năm 2018, các nhà nghiên cứu điện tử bậc thầy đã xuất bản tám bài báo gây chú ý trong Thiên nhiên, tạp chí uy tín nhất về khoa học, cũng như một loạt các bài báo khác. Các nhà lý thuyết nói rằng cặp đôi đang mở rộng sự hiểu biết về khả năng của các electron.
Nghiên cứu của họ “gây ấn tượng sâu sắc về nhiều mặt,” cho biết Philip Kim, một nhà vật lý vật chất cô đặc nổi tiếng tại Đại học Harvard. "Tôi có thể nói là giật gân."
Sự trỗi dậy của vật liệu 2D
Các thuộc tính của vật liệu thường phản ánh những gì các electron của nó đang làm. Ví dụ, trong các chất dẫn điện như kim loại, các điện tử di chuyển giữa các nguyên tử một cách dễ dàng, mang điện. Trong các chất cách điện như gỗ và thủy tinh, các điện tử vẫn được giữ nguyên. Các chất bán dẫn như silicon rơi vào giữa: Các electron của chúng có thể bị buộc chuyển động với một dòng năng lượng, khiến chúng trở nên lý tưởng để bật và tắt dòng điện - công việc của một bóng bán dẫn. Trong 50 năm qua, bên cạnh ba hành vi electron cơ bản đó, các nhà vật lý vật chất cô đặc đã thấy các hạt mang điện nhẹ hoạt động theo nhiều cách kỳ lạ hơn.
Một trong những bất ngờ ấn tượng hơn đến vào năm 1986, khi hai nhà nghiên cứu của IBM, Georg Bednorz và Alex Müller, phát hiện một dòng điện di chuyển qua một tinh thể oxit đồng (“cuprate”) mà không có bất kỳ lực cản nào. Tính siêu dẫn này - khả năng dòng điện chạy với hiệu suất hoàn hảo - đã từng được nhìn thấy trước đây, nhưng chỉ vì những lý do đã được hiểu rõ trong các vật liệu được làm lạnh đến trong một vài độ không tuyệt đối. Lần này, Bednorz và Müller đã quan sát thấy một dạng hiện tượng bí ẩn tồn tại ở mức kỷ lục 35 kelvins (tức là 35 độ so với độ không tuyệt đối). Các nhà khoa học đã sớm phát hiện ra các loại cuprat khác có độ siêu dẫn trên 100 kelvins. Một giấc mơ được sinh ra có lẽ vẫn là mục tiêu số một của vật lý vật chất cô đặc ngày nay: tìm kiếm hoặc chế tạo một chất có thể siêu dẫn điện trong thế giới nóng bỏng, khoảng 300 kelvin của chúng ta, cho phép các đường dây điện không bị tổn thất, các phương tiện bay và các thiết bị siêu hiệu quả khác sẽ làm giảm đáng kể nhu cầu năng lượng của nhân loại.
Chìa khóa của hiện tượng siêu dẫn là đồng trục các electron, vốn thường đẩy nhau, ghép đôi và tạo thành các thực thể được gọi là boson. Boson sau đó có thể kết hợp chung thành một chất lỏng lượng tử không ma sát. Các lực hấp dẫn tạo ra boson, chẳng hạn như dao động nguyên tử, thông thường chỉ có thể thắng lực đẩy của electron ở nhiệt độ đông lạnh hoặc áp lực cao. Nhưng nhu cầu về những điều kiện khắc nghiệt này đã ngăn cản chất siêu dẫn tìm đường xâm nhập vào các thiết bị hàng ngày. Việc khám phá ra cuprat đã làm dấy lên hy vọng rằng mạng tinh thể nguyên tử phù hợp có thể “kết dính” các electron lại với nhau chắc chắn đến mức chúng vẫn bị mắc kẹt ngay cả ở nhiệt độ phòng.
Trải qua 40 năm sau phát hiện của Bednorz và Müller, các nhà lý thuyết vẫn không hoàn toàn chắc chắn về cách thức hoạt động của keo trong tủ đựng chén bát, ít hơn nhiều về cách điều chỉnh vật liệu để tăng cường độ bền cho nó. Vì vậy, nhiều nghiên cứu trong vật lý vật chất cô đặc là một cuộc săn lùng thử-và-sai đối với các tinh thể có thể giữ cho các electron của chúng được ghép nối hoặc chăn dắt các electron theo những cách kỳ diệu khác. Kim nói: “Vật chất ngưng tụ là một nhánh của vật lý cho phép tạo ra những điều may rủi. Đó là phát hiện năm 2004 về vật liệu 2D.
Andre Geim và Konstantin Novoselov, làm việc với than chì tại Đại học Manchester ở Vương quốc Anh, phát hiện một hậu quả đáng kinh ngạc của sự bong tróc của vật liệu. Một tinh thể than chì chứa các nguyên tử cacbon sắp xếp thành các tấm hình lục giác liên kết lỏng lẻo. Từ lâu, các nhà lý thuyết đã dự đoán rằng nếu không có ảnh hưởng ổn định của lớp chồng, các dao động do nhiệt gây ra sẽ làm vỡ một tấm một lớp. Nhưng Geim và Novoselov phát hiện ra rằng chúng có thể bóc ra các tấm mỏng nguyên tử, ổn định với độ bền và độ bền cao hơn băng Scotch. Graphene là vật liệu thực sự phẳng đầu tiên - một mặt phẳng mà các electron có thể trượt xung quanh nhưng không lên xuống.
Hone, nhà vật lý người Columbia, đã phát hiện ra rằng vật chất mỏng nhất thế giới bằng cách nào đó là cũng là mạnh nhất. Đó là một sự khó chịu đáng kể đối với một vật liệu mà các nhà lý thuyết nghĩ rằng sẽ không thể gắn kết với nhau chút nào.
Điều khiến các nhà vật lý hấp dẫn nhất về graphene là cách vùng đất phẳng carbon biến đổi các electron: Không gì có thể làm chúng chậm lại. Các electron thường bị mắc kẹt bởi mạng tinh thể của nguyên tử mà chúng di chuyển qua đó, hoạt động nặng hơn khối lượng trong sách giáo khoa của chúng (các electron bất động của chất cách điện hoạt động như thể chúng có khối lượng vô hạn). Tuy nhiên, mạng tinh thể phẳng của Graphene cho phép các electron quay xung quanh với tốc độ một triệu mét mỗi giây - chỉ chậm hơn vài trăm lần so với tốc độ ánh sáng. Với tốc độ phồng rộp không đổi đó, các electron bay như thể chúng không có khối lượng nào cả, ban phước cho graphene có độ dẫn cực (mặc dù không phải là siêu).
Cả một cánh đồng mọc lên xung quanh vật liệu kỳ diệu. Các nhà nghiên cứu cũng bắt đầu nghĩ rộng hơn. Các mảnh 2D của các chất khác có thể tạo ra siêu năng lực của riêng chúng không? Hone là một trong số những người đã phân nhánh. Năm 2009, ông đo một số tính chất cơ học của doppelgänger của graphite, molypdenum disulfide, sau đó chuyển tinh thể này cho hai chuyên gia quang học trong phòng thí nghiệm của Tony Heinz ở Columbia. Đó là một động thái ngẫu nhiên có thể thay đổi sự nghiệp của tất cả những người có liên quan.
Mẫu molypden disulfide rơi vào tay của Jie Shan, một giáo sư thỉnh giảng thuở mới vào nghề và Kin Fai Mak, một nghiên cứu sinh. Bộ đôi trẻ đang nghiên cứu cách graphene tương tác với ánh sáng, nhưng họ đã bắt đầu mơ mộng về những vật liệu khác. Các electron siêu tốc của Graphene khiến nó trở thành một chất dẫn điện tuyệt vời, nhưng thứ họ muốn là chất bán dẫn 2D - một vật liệu có dòng electron mà chúng có thể bật và tắt, và do đó có thể đóng vai trò như một bóng bán dẫn.
Molypden disulfide được biết đến là một chất bán dẫn. Và Shan và Mak nhanh chóng phát hiện ra rằng, giống như than chì, nó có thêm sức mạnh ở chế độ 2D. Khi họ chiếu tia laser vào các tinh thể 3D của "moly disulfide" (theo cách gọi của họ), các tinh thể này vẫn tối. Nhưng khi Shan và Mak xé các lớp bằng băng keo Scotch, dùng tia laser đánh vào chúng, và kiểm tra chúng dưới kính hiển vi, họ thấy các tấm 2D sáng rực rỡ.
Nghiên cứu từ các nhóm khác sau đó đã xác nhận rằng các tấm làm bằng vật liệu có liên quan chặt chẽ với nhau sẽ phản ánh mọi photon cuối cùng chạm vào chúng. Mak nói: “Đó là một cảm giác khó tin, gần đây, khi tôi gặp anh và Shan tại văn phòng chung của họ tại Cornell. “Bạn chỉ có một tấm nguyên tử duy nhất và nó có thể phản chiếu 100% ánh sáng như một tấm gương hoàn hảo”. Họ nhận ra rằng đặc tính này có thể dẫn đến các thiết bị quang học ngoạn mục.
Một cách độc lập, Phong Vương, một nhà vật lý tại Đại học California, Berkeley, cũng có phát hiện tương tự. Một vật liệu 2D có độ phản chiếu cao và một chất bán dẫn để khởi động đã thu hút sự chú ý của cộng đồng. Cả hai các nhóm công bố những phát hiện của họ vào năm 2010; các bài báo đã nhận được hơn 16,000 trích dẫn giữa chúng. Hone nói: “Mọi người sử dụng tia laser đều bắt đầu quan tâm đến vật liệu 2D.
Bằng cách xác định moly disulfide là vật liệu kỳ diệu 2D thứ hai, hai nhóm đã đổ bộ lên toàn bộ lục địa vật liệu 2D. Moly disulfua thuộc họ các chất được gọi là dichalcogenides kim loại chuyển tiếp (TMDs), trong đó các nguyên tử từ vùng kim loại giữa của bảng tuần hoàn như molypden liên kết với các cặp hợp chất hóa học được gọi là chalcogenides, chẳng hạn như lưu huỳnh. Moly disulfide là TMD tự nhiên duy nhất, nhưng có hàng chục nữa mà các nhà nghiên cứu có thể sử dụng trong phòng thí nghiệm - vonfram disulfide, molypden ditelluride, v.v. Hầu hết đều tạo thành các tờ liên kết yếu, khiến chúng dễ bị ảnh hưởng bởi mặt kinh doanh của một miếng băng.
Tuy nhiên, làn sóng phấn khích ban đầu nhanh chóng lắng xuống khi các nhà nghiên cứu đấu tranh để khiến TMDs làm được nhiều việc hơn là tỏa sáng. Nhóm của Wang, đối với một nhóm nghiên cứu, nghiên cứu về graphene sau khi nhận thấy rằng họ không thể dễ dàng gắn các điện cực kim loại vào moly disulfide. “Đó là trở ngại cho nhóm của chúng tôi trong một vài năm,” anh nói. "Ngay cả bây giờ chúng tôi cũng không liên lạc tốt lắm." Có vẻ như ưu điểm chính của TMD so với graphene cũng là điểm yếu lớn nhất của chúng: Để nghiên cứu các đặc tính điện tử của vật liệu, các nhà nghiên cứu thường phải đẩy các electron vào nó và đo điện trở của dòng điện tạo ra. Nhưng vì chất bán dẫn là chất dẫn điện kém nên rất khó để đưa các electron vào hoặc ra.
Mak và Shan ban đầu cảm thấy mâu thuẫn. Mak nói: “Thật sự không rõ liệu chúng ta nên tiếp tục nghiên cứu graphene hay bắt đầu làm việc trên vật liệu mới này. “Nhưng vì chúng tôi nhận thấy nó có đặc tính tốt đẹp này, nên chúng tôi tiếp tục thực hiện một vài thử nghiệm nữa.”
Khi họ làm việc, hai nhà nghiên cứu ngày càng bị mê hoặc bởi moly disulfide và lẫn nhau. Ban đầu, liên hệ của họ là chuyên nghiệp, giới hạn phần lớn trong các email tập trung vào nghiên cứu. “Fai thường hỏi, 'Phần thiết bị đó ở đâu? Bạn đã đặt nó ở đâu? '”Shan nói. Nhưng cuối cùng mối quan hệ của họ, được ấp ủ trong nhiều giờ và được xúc tác bởi sự thành công trong thử nghiệm, đã trở nên lãng mạn. “Chúng tôi chỉ gặp nhau quá thường xuyên, theo nghĩa đen là trong cùng một phòng thí nghiệm làm việc trong cùng một dự án,” Mak nói. “Dự án hoạt động rất tốt cũng khiến chúng tôi rất vui.”
Vật lý mọi lúc
Sẽ cần có sự hợp tác giữa hai nhà vật lý tận tụy với kỷ luật sắt đá để đưa các TMDs rắc rối đến hồi kết.
Học thuật luôn đến với Shan một cách dễ dàng. Lớn lên vào những năm 1970 ở tỉnh ven biển Chiết Giang, cô là một học sinh xuất sắc, xuất sắc trong các môn toán, khoa học và ngôn ngữ và giành được một suất học đáng mơ ước tại Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc ở Hợp Phì. Tại đây, cô đủ điều kiện tham gia một chương trình trao đổi văn hóa chọn lọc giữa Trung Quốc và Liên Xô, và cô đã chớp lấy cơ hội học tiếng Nga và vật lý tại Đại học Tổng hợp Moscow. Cô nói: “Khi bạn ở độ tuổi thanh thiếu niên, bạn háo hức khám phá thế giới. "Tôi đã không do dự."
Ngay lập tức, cô ấy đã nhìn thấy thế giới nhiều hơn những gì cô ấy đã mặc cả. Những rắc rối về thị thực đã khiến việc đến Nga của cô ấy bị trì hoãn vài tháng, và cô ấy đã mất chỗ trong chương trình ngôn ngữ. Các nhà chức trách đã tìm thấy cô ấy một con đường khác, và ngay sau khi hạ cánh xuống Moscow, cô ấy đã lên một chuyến tàu và đi 5,000 km về phía đông. Ba ngày sau, cô đến thành phố Irkutsk ở giữa Siberia vào đầu mùa đông. “Lời khuyên mà tôi nhận được là“ Đừng bao giờ, đừng bao giờ chạm vào bất cứ thứ gì mà không có găng tay, ”để tránh bị mắc kẹt, cô ấy nói.
Shan tiếp tục đeo găng tay, học tiếng Nga trong một học kỳ duy nhất và đánh giá cao vẻ đẹp tuyệt vời của phong cảnh mùa đông. Khi khóa học kết thúc và tuyết tan, cô quay trở lại thủ đô để bắt đầu lấy bằng vật lý, đến Moscow vào mùa xuân năm 1990, giữa lúc Liên bang Xô viết tan rã.
Đó là những năm hỗn loạn. Shan nhìn thấy xe tăng lăn bánh trên các con phố gần trường đại học khi những người Cộng sản cố gắng giành lại quyền kiểm soát chính phủ. Vào một dịp khác, ngay sau kỳ thi cuối cùng, đánh nhau đã nổ ra. “Chúng tôi có thể nghe thấy tiếng súng, và chúng tôi được yêu cầu tắt đèn trong ký túc xá,” cô nói. Mọi thứ, từ thức ăn đến giấy vệ sinh, đều được phân loại thông qua hệ thống phiếu giảm giá. Tuy nhiên, Shan cảm thấy được truyền cảm hứng bởi sự kiên cường của các giáo sư của cô, những người tiếp tục nghiên cứu của họ bất chấp tình trạng hỗn loạn. “Các điều kiện rất khó khăn, nhưng nhiều nhà khoa học đã có thái độ như vậy. Họ thực sự yêu thích những gì họ làm, bất chấp những gì đang xảy ra, ”cô nói.
Khi trật tự thế giới sụp đổ, Shan trở nên nổi bật, xuất bản một bài báo quang học lý thuyết thu hút sự chú ý của Heinz tại Columbia. Anh ấy khuyến khích cô ấy nộp đơn, và cô ấy chuyển đến New York, nơi cô ấy thỉnh thoảng giúp các sinh viên quốc tế khác đặt chân ở một đất nước xa lạ. Ví dụ, cô đã tuyển dụng Wang làm việc trong phòng thí nghiệm của Heinz và chia sẻ các mẹo thử nghiệm. “Cô ấy dạy tôi cách kiên nhẫn,” anh nói, và “cách để không cảm thấy thất vọng với tia laser”.
Hầu hết các nhà nghiên cứu đều đảm nhận vị trí sau tiến sĩ sau khi lấy bằng Tiến sĩ, nhưng Shan đã trực tiếp gia nhập Đại học Case Western Reserve với tư cách là phó giáo sư vào năm 2001. Vài năm sau, trong một kỳ nghỉ phép, cô trở lại phòng thí nghiệm của Heinz tại Columbia. Lần đầu tiên, thời điểm của cô ấy là ngẫu nhiên. Cô bắt đầu hợp tác với một sinh viên tốt nghiệp quyến rũ và có đôi mắt sáng trong nhóm của Heinz, Kin Fai Mak.
Mak đã đi theo một con đường khác, ít xáo trộn hơn đến Thành phố New York. Lớn lên ở Hồng Kông, anh ấy phải vật lộn trong trường học, ngoài vật lý ra thì rất ít có ý nghĩa đối với anh ấy. “Đó là điều duy nhất tôi thích và thực sự giỏi, vì vậy tôi đã chọn vật lý,” anh nói.
Nghiên cứu đại học của anh ấy tại Đại học Hồng Kông nổi bật, và Heinz đã tuyển dụng anh ấy tham gia chương trình vật lý vật chất cô đặc đang bùng nổ của Columbia. Ở đó, anh lao vào nghiên cứu, dành gần như tất cả giờ thức của mình trong phòng thí nghiệm ngoại trừ thỉnh thoảng chơi bóng đá nội bộ. Andrea Young, một sinh viên tốt nghiệp (hiện là trợ lý giáo sư tại Đại học California, Santa Barbara), ở chung một căn hộ với Mak trên Phố 113 Tây. “Tôi thật may mắn nếu tôi có thể bắt gặp anh ấy lúc 2 giờ sáng để nấu một ít mì ống và nói về vật lý. Lúc nào cũng là vật lý, ”Young nói.
Nhưng thời gian tốt đẹp không kéo dài. Không lâu sau chuyến du ngoạn đến rừng nhiệt đới Amazon ở Colombia với Young, Mak bị ốm. Các bác sĩ của anh ấy không chắc chắn sẽ làm gì với kết quả xét nghiệm khó hiểu của anh ấy, và anh ấy ngày càng ốm hơn. Một sự tình cờ may mắn đã cứu sống anh. Young đã mô tả tình hình cho cha mình, một nhà nghiên cứu y học, người ngay lập tức nhận ra các dấu hiệu của bệnh thiếu máu bất sản - một tình trạng máu bất thường đã xảy ra và là chủ đề cho nghiên cứu của riêng anh. Mak nói: “Thực sự rất hiếm khi mắc căn bệnh này,”. "Và thậm chí còn hiếm hơn để mắc một căn bệnh mà cha của bạn cùng phòng của bạn là một chuyên gia."
Cha của Young đã giúp Mak ghi danh vào các phương pháp điều trị thử nghiệm. Anh ấy đã dành phần lớn thời gian của năm cuối đại học trong bệnh viện và nhiều lần cận kề cái chết. Trong suốt thử thách, niềm đam mê vật lý của Mak đã thúc đẩy anh tiếp tục làm việc. “Anh ấy đang viết PRL thư từ giường bệnh của anh ấy, ”Young nói, đề cập đến tạp chí Physical Review Letters. “Bất chấp tất cả những điều này, anh ấy là một trong những sinh viên làm việc hiệu quả nhất từ trước đến nay,” Heinz nói. "Đó là một điều gì đó kỳ diệu."
Các phương pháp điều trị tiếp theo cuối cùng đã giúp Mak hồi phục hoàn toàn. Young, bản thân là một nhà thực nghiệm nổi tiếng, sau này đã tiết lộ về những can thiệp của mình, "Trong số những người bạn, tôi gọi đó là đóng góp lớn nhất của tôi cho vật lý."
Vào vùng hoang dã 2D
Mak chuyển đến Cornell với tư cách là nhà nghiên cứu sau tiến sĩ vào năm 2012, lúc đó Shan đã trở lại Case Western. Họ theo đuổi các dự án riêng lẻ với graphene và các vật liệu khác, nhưng họ cũng tiếp tục cùng nhau mở ra những bí mật khác của TMD.
Tại Cornell, Mak đã học nghệ thuật đo vận chuyển electron - một cách chính khác để định hướng chuyển động của các electron, bên cạnh quang học. Kiến thức chuyên môn này khiến anh và Shan trở thành mối đe dọa kép trong lĩnh vực mà các nhà nghiên cứu thường chuyên về loại này hay loại khác. “Bất cứ khi nào tôi gặp Fai và Jie, tôi đều phàn nàn, 'Thật không công bằng khi các bạn vận tải', Kim nói. "Tôi phải làm gì bây giờ?"
Bộ đôi càng tìm hiểu về TMDs, họ càng thu hút. Các nhà nghiên cứu thường tập trung vào một trong hai đặc tính của electron: điện tích và spin của chúng (hay mômen động lượng nội tại). Kiểm soát dòng điện tích là nền tảng của điện tử hiện đại. Và sự đảo lộn spin của các electron có thể dẫn đến các thiết bị “spintronics” đóng gói nhiều thông tin hơn vào các không gian nhỏ hơn. Trong năm 2014, Mak đã giúp khám phá rằng các electron trong moly disulfide 2D có thể có thuộc tính thứ ba, đặc biệt: Các electron này phải di chuyển với lượng xung lượng cụ thể, một thuộc tính có thể kiểm soát được gọi là “thung lũng” mà các nhà nghiên cứu suy đoán có thể sinh ra một lĩnh vực thứ ba của công nghệ “thung lũng điện tử”.
Cùng năm đó, Mak và Shan đã xác định một đặc điểm nổi bật khác của TMDs. Các electron không phải là thực thể duy nhất di chuyển qua một tinh thể; các nhà vật lý cũng theo dõi “lỗ trống”, những chỗ trống được tạo ra khi các electron nhảy sang nơi khác. Những lỗ này có thể đi lang thang trên một vật liệu giống như các hạt mang điện tích dương thực sự. Lỗ trống dương thu hút một điện tử âm để tạo thành một liên kết thoáng qua, được gọi là exciton, vào thời điểm trước khi điện tử cắm vào lỗ trống. Shan và Mak đo sức hút giữa các điện tử và lỗ trống trong diselenide vonfram 2D và thấy nó mạnh hơn hàng trăm lần so với trong chất bán dẫn 3D điển hình. Phát hiện gợi ý rằng các exciton trong TMD có thể đặc biệt mạnh mẽ, và nói chung các electron có nhiều khả năng làm tất cả những điều kỳ lạ.
Cặp đôi đã cùng nhau đảm bảo các vị trí tại Đại học Bang Pennsylvania và bắt đầu một phòng thí nghiệm ở đó. Cuối cùng thuyết phục rằng TMDs đáng để đánh cược sự nghiệp của họ, họ đã biến các tài liệu trở thành trọng tâm của nhóm mới của họ. Họ cũng đã kết hôn.
Trong khi đó, nhóm của Hone tại Columbia nhận thấy các đặc tính của graphene thậm chí còn trở nên khắc nghiệt hơn khi họ đặt nó lên trên một chất cách điện chất lượng cao, boron nitride. Đó là một ví dụ ban đầu về một trong những khía cạnh mới lạ nhất của vật liệu 2D: khả năng xếp chồng của chúng.
Đặt một vật liệu 2D này lên trên một vật liệu khác, và các lớp sẽ nằm cách nhau một phần của nanomet - không có khoảng cách nào từ quan điểm của các electron của chúng. Kết quả là, các trang tính xếp chồng lên nhau sẽ hợp nhất thành một chất một cách hiệu quả. “Nó không chỉ là hai vật liệu cùng nhau,” Wang nói. "Bạn thực sự tạo ra một chất liệu mới."
Trong khi graphene chỉ bao gồm các nguyên tử cacbon, họ mạng lưới TMD đa dạng mang đến hàng tá nguyên tố bổ sung vào trò chơi xếp chồng. Mỗi TMD có khả năng nội tại của riêng nó. Một số có từ tính; những chất siêu dẫn khác. Các nhà nghiên cứu mong muốn trộn và kết hợp chúng với các chất liệu thời trang bằng sức mạnh tổng hợp của chúng.
Nhưng khi nhóm của Hone đặt moly disulfide lên một chất cách điện, các đặc tính của chất này cho thấy sự kém sang so với những gì họ đã thấy ở graphene. Cuối cùng họ nhận ra rằng họ đã không kiểm tra chất lượng của các tinh thể TMD. Khi họ cho một số đồng nghiệp dán moly disulfide của họ dưới kính hiển vi có khả năng phân giải các nguyên tử riêng lẻ, họ đã rất ngạc nhiên. Một số nguyên tử ngồi nhầm chỗ, trong khi những nguyên tử khác mất tích hoàn toàn. Có tới 1/100 vị trí mạng tinh thể có vấn đề gì đó, cản trở khả năng định hướng các electron của mạng tinh thể. Để so sánh, Graphene là hình ảnh của sự hoàn hảo, với khoảng một khuyết tật trên một triệu nguyên tử. “Cuối cùng chúng tôi cũng nhận ra rằng những thứ chúng tôi mua hoàn toàn là rác,” Hone nói.
Vào khoảng năm 2016, anh quyết định bắt tay vào kinh doanh các TMDs cấp độ nghiên cứu đang phát triển. Anh ấy đã tuyển dụng một postdoc, Daniel Rhodes, với kinh nghiệm phát triển tinh thể bằng cách nấu chảy bột nguyên liệu ở nhiệt độ cực cao và sau đó làm lạnh chúng với tốc độ băng giá. “Nó giống như cách trồng kẹo từ đường trong nước,” Hone giải thích. Quá trình mới mất một tháng, so với một vài ngày đối với các phương pháp thương mại. Nhưng nó tạo ra các tinh thể TMD tốt hơn hàng trăm đến hàng nghìn lần so với những tinh thể được bày bán trong các danh mục hóa chất.
Trước khi Shan và Mak có thể tận dụng những tinh thể ngày càng nguyên sơ của Hone, họ đã phải đối mặt với nhiệm vụ vô ích là tìm ra cách làm việc với các mảnh siêu nhỏ không thích nhận electron. Để bơm các electron vào (cơ sở của kỹ thuật vận chuyển mà Mak đã chọn làm postdoc), cặp đôi bị ám ảnh bởi vô số chi tiết: loại kim loại nào sẽ sử dụng cho điện cực, khoảng cách TMD để đặt nó, thậm chí cả hóa chất nào để sử dụng để làm sạch các địa chỉ liên lạc. Việc thử vô số cách thiết lập điện cực rất chậm và tốn nhiều công sức - “một quá trình tốn thời gian để tinh chỉnh cái này hoặc tinh chỉnh từng chút một,” Mak nói.
Họ cũng đã dành nhiều năm để tìm ra cách nâng và xếp các mảnh siêu nhỏ, có chiều ngang chỉ bằng một phần mười của phần triệu mét. Với khả năng này, cộng với các tinh thể của Hone và các điểm tiếp xúc điện được cải thiện, mọi thứ đã kết hợp lại với nhau vào năm 2018. Cặp đôi chuyển đến Ithaca, New York, để đảm nhận các vị trí mới tại Cornell, và một loạt các kết quả tiên phong tràn ra khỏi phòng thí nghiệm của họ.
Đột phá tại Cornell
Zhengchao Xia, một nghiên cứu sinh trong nhóm của Mak và Shan, cho biết: “Ngày nay, mọi thứ thật khó để nhận ra vì lý do nào đó,” Zhengchao Xia, một nghiên cứu sinh trong nhóm của Mak và Shan, cho biết khi hình bóng đen của một mảnh boron nitride đe dọa bong ra và rơi trở lại bề mặt silicon bên dưới. Tờ giấy có hình Madagascar bám yếu ớt vào một cục than chì giống như ở Ả Rập Xê Út, giống như giấy có thể bám vào bề mặt nứt nẻ của một quả bóng được cọ xát gần đây. Đến lượt mình, than chì bị dính vào một giọt nhựa dẻo dính trên lam kính. Xia đã sử dụng giao diện máy tính để điều khiển một giá đỡ có động cơ bám chặt vào slide. Giống như một người chơi trò chơi điện tử có thể điều khiển một chiếc máy vuốt bằng cần điều khiển, cô ấy rón rén nâng ngăn xếp lên không trung với tốc độ XNUMX/XNUMX phần triệu mét mỗi lần nhấp chuột, chăm chú nhìn vào màn hình máy tính để xem liệu cô ấy có thành công thu được mảnh boron nitride.
Cô ấy đã có. Với một vài cú nhấp chuột nữa, ngăn xếp hai lớp trở nên tự do, và Xia di chuyển nhanh chóng nhưng cố tình để lắng các mảnh vụn vào vật liệu thứ ba được nhúng với các điện cực kim loại ngổn ngang. Với một vài cú nhấp chuột nữa, cô ấy đã làm nóng bề mặt, làm tan chảy chất kết dính nhựa của slide trước khi một trong hai chúng tôi có thể hắt thiết bị siêu nhỏ đi.
“Tôi luôn có cơn ác mộng này rằng nó sẽ biến mất,” cô nói.
Từ đầu đến cuối, Xia đã mất hơn một giờ để lắp ráp nửa dưới của một thiết bị đơn giản - tương đương với một PB&J mặt hở. Cô ấy cho tôi xem một ngăn xếp khác mà cô ấy đã tập hợp gần đây và tách ra một vài thành phần, bao gồm diselenide vonfram TMDs và moly ditelluride. Một trong số hàng chục chiếc bánh mì siêu nhỏ mà cô đã chế tạo và nghiên cứu trong năm qua, thiết bị Dagwood này có 10 lớp khổng lồ và mất vài giờ để lắp ráp.
Việc xếp chồng các vật liệu 2D này, cũng được thực hiện trong các phòng thí nghiệm tại Columbia, Viện Công nghệ Massachusetts, Berkeley, Harvard và các học viện khác, đại diện cho việc hiện thực hóa giấc mơ từ lâu của các nhà vật lý vật chất cô đặc. Các nhà nghiên cứu không còn bị giới hạn trong các vật liệu được tìm thấy trong lòng đất hoặc phát triển chậm trong phòng thí nghiệm. Giờ đây, họ có thể chơi với các viên gạch Lego có khối lượng tương đương nguyên tử, ghép các tấm lại với nhau để xây dựng các cấu trúc đặt làm riêng với các đặc tính mong muốn. Khi nói đến việc lắp ráp các cấu trúc TMD, rất ít người đã đi xa như nhóm Cornell.
Khám phá quan trọng đầu tiên của Mak và Shan tại Cornell liên quan đến các exciton, các cặp electron-lỗ trống liên kết chặt chẽ mà họ đã thấy trong TMDs hồi năm 2014. Các kích thích gây tò mò cho các nhà vật lý bởi vì “giả hạt”Có thể đưa ra một con đường vòng vo để đạt được mục tiêu lâu dài của vật lý vật chất ngưng tụ: hiện tượng siêu dẫn nhiệt độ phòng.
Các exciton hoạt động theo cùng một quy tắc thú vị như các cặp electron-electron; các cặp electron-lỗ trống này cũng trở thành boson, cho phép chúng "ngưng tụ" thành một trạng thái lượng tử dùng chung được gọi là trạng thái ngưng tụ Bose-Einstein. Đám quasiparte kết hợp này có thể hiển thị các đặc điểm lượng tử như tính siêu lỏng, khả năng chảy mà không có lực cản. (Khi chất siêu lỏng mang dòng điện, nó sẽ siêu dẫn.)
Nhưng không giống như các điện tử đẩy, các điện tử và lỗ trống thích ghép đôi. Các nhà nghiên cứu cho biết điều này có khả năng làm cho keo của chúng bền hơn. Những thách thức đối với hiện tượng siêu dẫn dựa trên exciton nằm ở việc giữ cho điện tử không lấp đầy lỗ trống và làm cho các cặp trung hòa điện chạy theo dòng điện - tất cả đều ở trong phòng càng ấm càng tốt. Cho đến nay, Mak và Shan đã giải quyết được vấn đề đầu tiên và có kế hoạch giải quyết vấn đề thứ hai.
Các đám mây nguyên tử có thể được tạo thành chất ngưng tụ bằng cách làm lạnh chúng đến một sợi tóc trên độ không tuyệt đối bằng tia laze mạnh. Nhưng các nhà lý thuyết từ lâu đã nghi ngờ rằng các chất ngưng tụ của exciton có thể hình thành ở nhiệt độ cao hơn. Nhóm Cornell đã biến ý tưởng này thành hiện thực với các TMD có thể xếp chồng lên nhau của họ. Sử dụng một bánh sandwich hai lớp, họ đặt thêm các điện tử ở lớp trên cùng và loại bỏ các điện tử từ phía dưới, để lại các lỗ trống. Các electron và lỗ trống bắt cặp với nhau, tạo ra các exciton tồn tại lâu dài vì các electron gặp khó khăn khi nhảy sang lớp đối diện để vô hiệu hóa đối tác của chúng. Vào tháng 2019 năm XNUMX, nhóm dấu hiệu báo cáo của một chất ngưng tụ exciton ở 100 kelvin yên bình. Trong thiết lập này, các kích thích tồn tại hàng chục nano giây, thời gian tồn tại đối với loại quasiparticle này. Vào mùa thu năm 2021, nhóm đã mô tả một bộ máy được cải tiến, nơi các exciton dường như tồn tại trong vài mili giây, mà Mak gọi là “thực tế là mãi mãi”.
Nhóm nghiên cứu hiện đang theo đuổi một chương trình được các nhà lý thuyết pha chế vào năm 2008 để tạo ra dòng điện exciton. Allan MacDonald, một nhà lý thuyết vật chất cô đặc nổi tiếng tại Đại học Texas, Austin, và nghiên cứu sinh của ông Jung-Jung Su đã đề xuất làm cho các exciton trung hòa chảy bằng cách áp dụng một điện trường định hướng theo cách khuyến khích cả electron và lỗ trống chuyển động theo cùng một hướng. Để kéo nó ra trong phòng thí nghiệm, nhóm Cornell một lần nữa phải vật lộn với kẻ thù lâu năm của họ, các tiếp điểm điện. Trong trường hợp này, họ phải gắn nhiều bộ điện cực vào các lớp TMD, một số để sản xuất exciton và những bộ khác để di chuyển chúng.
Shan và Mak tin rằng họ đang đi đúng hướng để sớm có được dòng exciton lên đến 100 kelvins. Đó là một căn phòng lạnh giá cho một người (−173 độ C hoặc −280 độ F), nhưng đó là một bước nhảy vọt so với các điều kiện nanokelvin mà hầu hết các chất ngưng tụ bosonic cần.
“Tự nó sẽ là một thành tích tốt đẹp,” Mak nói với một nụ cười ranh mãnh, “để làm ấm nhiệt độ lên một tỷ lần.”
Vật liệu Moiré Magical
Vào năm 2018, trong khi phòng thí nghiệm Cornell tăng cường các thí nghiệm TMD của họ, một bất ngờ khác về graphene đã khởi động một cuộc cách mạng vật liệu 2D lần thứ hai. Pablo Jarillo-Herero, một nhà nghiên cứu tại MIT và một phèn khác ở Columbia, đã thông báo rằng việc xoắn một lớp graphene đối với lớp bên dưới đã tạo ra một vật liệu 2D mới kỳ diệu. Bí quyết là thả lớp trên xuống sao cho các hình lục giác của nó tiếp đất bằng một "cú vặn" nhẹ, để chúng quay chính xác 1.1 độ so với các hình lục giác bên dưới. Sự lệch góc này gây ra sự chênh lệch giữa các nguyên tử phát triển và co lại khi bạn di chuyển trên vật liệu, tạo ra một mô hình lặp lại của các “siêu tế bào” lớn được gọi là siêu mạng moiré. MacDonald và một đồng nghiệp đã tính trong năm 2011 rằng ở "góc ma thuật" 1.1 độ, cấu trúc tinh thể độc đáo của siêu mạng sẽ buộc các điện tử của graphene chạy chậm lại và cảm nhận được lực đẩy của các nước láng giềng của chúng.
Khi các electron nhận thức được nhau, những điều kỳ lạ sẽ xảy ra. Trong chất cách điện, chất dẫn điện và chất bán dẫn thông thường, các điện tử được cho là chỉ tương tác với mạng tinh thể của nguyên tử; họ chạy đua quá nhanh để chú ý đến nhau. Nhưng chậm lại để thu thập thông tin, các electron có thể chen lấn lẫn nhau và chung quy lại là một loại trạng thái lượng tử kỳ lạ. Các thí nghiệm của Jarillo-Herrero đã chứng minh rằng, đối với hiểu kém lý do, sự giao tiếp giữa điện tử này với điện tử trong graphene xoắn, góc ma thuật dẫn đến một đặc biệt là dạng siêu dẫn mạnh.
Siêu mạng graphene moiré cũng giới thiệu cho các nhà nghiên cứu một phương pháp mới triệt để để kiểm soát các điện tử. Trong siêu mạng, các điện tử trở nên không quan tâm đến các nguyên tử riêng lẻ và tự trải nghiệm các siêu tế bào như thể chúng là những nguyên tử khổng lồ. Điều này giúp dễ dàng tập hợp các siêu tế bào với đủ điện tử để tạo thành các trạng thái lượng tử tập thể. Sử dụng điện trường để quay số điện tử trung bình trên mỗi siêu tế bào, nhóm của Jarillo-Herrero đã có thể làm cho thiết bị graphene hai lớp xoắn của họ hoạt động như một chất siêu dẫn, hoạt động như một chất cách điệnhoặc hiển thị một bè khác, hành vi của electron lạ.
Các nhà vật lý trên khắp thế giới đổ xô vào lĩnh vực sơ khai của "twistronics." Nhưng nhiều người đã nhận thấy rằng xoắn rất khó khăn. Các nguyên tử không có lý do gì để rơi vào độ lệch 1.1 độ “ma thuật”, vì vậy các tờ giấy nhăn theo những cách làm thay đổi hoàn toàn tính chất của chúng. Xia, sinh viên tốt nghiệp trường Cornell, cho biết cô có nhiều người bạn ở các trường đại học khác đang làm việc với các thiết bị xoắn. Việc tạo ra một thiết bị hoạt động thường mất hàng chục lần thử. Và thậm chí sau đó, mỗi thiết bị hoạt động khác nhau, vì vậy các thí nghiệm cụ thể gần như không thể lặp lại.
TMD trình bày một cách dễ dàng hơn nhiều để tạo siêu kết tụ moiré. Bởi vì các TMD khác nhau có các mạng lục giác có kích thước khác nhau, nên việc xếp chồng một mạng các hình lục giác lớn hơn một chút lên một mạng nhỏ hơn sẽ tạo ra một mô hình moiré giống như cách thức lệch góc. Trong trường hợp này, bởi vì không có sự xoay vòng giữa các lớp, ngăn xếp có nhiều khả năng cố định và đứng yên. Khi Xia bắt đầu tạo ra một thiết bị TMD moiré, cô ấy nói, cô ấy thường thành công bốn lần trong số năm lần.
Vật liệu moiré TMD tạo ra những sân chơi lý tưởng để khám phá các tương tác electron. Bởi vì vật liệu là chất bán dẫn, các điện tử của chúng nặng hơn khi chúng xuyên qua vật liệu, không giống như các điện tử điên trong graphene. Và các tế bào moiré khổng lồ làm chúng chậm lại hơn nữa: Trong khi các điện tử thường di chuyển giữa các nguyên tử bằng cách “đào đường hầm”, một hành vi cơ học lượng tử tương tự như dịch chuyển tức thời, việc đào đường hầm hiếm khi xảy ra trong mạng moiré, vì các siêu tế bào nằm cách xa nhau khoảng 100 lần so với các nguyên tử bên trong chúng . Khoảng cách giúp các electron lắng xuống và giúp chúng có cơ hội biết những người hàng xóm của chúng.
Đối thủ thân thiện của Shan và Mak, Feng Wang, là một trong những người đầu tiên nhận ra tiềm năng của siêu kết tụ moiré TMD. Các tính toán tổng thể gợi ý rằng những vật liệu này nên tạo ra một trong những cách đơn giản nhất mà các điện tử có thể tổ chức - một trạng thái được gọi là tinh thể Wigner, nơi lực đẩy lẫn nhau khóa các điện tử hôn mê vào đúng vị trí. Nhóm của Wang đã thấy dấu hiệu của những trạng thái như vậy vào năm 2020 và được xuất bản hình ảnh đầu tiên các electron giữ nhau ở độ dài sải tay trong Thiên nhiên vào năm 2021. Vào thời điểm đó, tin tức về các hoạt động TMD moiré của Wang đã lan truyền trong cộng đồng vật lý 2D chặt chẽ và nhà máy Cornell TMD đang sản xuất các thiết bị TMD moiré của riêng họ. Shan và Mak cũng báo cáo bằng chứng về các tinh thể Wigner trong các siêu kết tụ TMD vào năm 2020 và phát hiện ra trong vài tháng rằng các electron trong thiết bị của họ có thể kết tinh trong hầu hết các hai chục mẫu pha lê Wigner khác nhau.
Đồng thời, nhóm Cornell cũng đang chế tạo vật liệu moiré TMD thành một công cụ điện. MacDonald và các cộng tác viên đã dự đoán vào năm 2018, các thiết bị này có sự kết hợp phù hợp của các tính năng kỹ thuật để biến chúng trở thành một trong những mô hình đồ chơi quan trọng nhất trong vật lý vật chất cô đặc. Mô hình Hubbard, như nó được gọi, là một hệ thống lý thuyết được sử dụng để hiểu nhiều hành vi của electron. Đề xuất độc lập của Martin Gutzwiller, Junjiro Kanamori và John Hubbard vào năm 1963, mô hình là nỗ lực tốt nhất của các nhà vật lý để loại bỏ vô số các mạng tinh thể thực tế xuống đến các đặc điểm thiết yếu nhất của chúng. Hình dung một mạng lưới các nguyên tử chứa các electron. Mô hình Hubbard giả định rằng mỗi electron cảm nhận được hai lực cạnh tranh: Nó muốn di chuyển bằng cách đào đường hầm tới các nguyên tử lân cận, nhưng nó cũng bị đẩy lùi bởi các nguyên tử lân cận, khiến nó muốn giữ nguyên vị trí của nó. Các hành vi khác nhau nảy sinh tùy thuộc vào mong muốn nào là mạnh nhất. Vấn đề duy nhất với mô hình Hubbard là trong tất cả, trừ trường hợp đơn giản nhất - chuỗi nguyên tử 1D - về mặt toán học, nó không thể giải được.
Theo MacDonald và các đồng nghiệp, vật liệu TMD moiré có thể hoạt động như “bộ mô phỏng” của mô hình Hubbard, có khả năng giải quyết một số bí ẩn sâu nhất của lĩnh vực này, chẳng hạn như bản chất của chất keo liên kết các electron thành các cặp siêu dẫn trong cốc. Thay vì phải vật lộn với một phương trình bất khả thi, các nhà nghiên cứu có thể đặt các electron lỏng lẻo trong một chiếc bánh sandwich TMD và xem chúng đã làm gì. “Chúng tôi có thể viết ra mô hình này, nhưng rất khó để trả lời rất nhiều câu hỏi quan trọng,” MacDonald nói. “Bây giờ chúng ta có thể làm điều đó chỉ bằng cách thực hiện một thử nghiệm. Điều đó thực sự mang tính đột phá ”.
Để xây dựng bộ mô phỏng mô hình Hubbard của mình, Shan và Mak đã xếp chồng các lớp vonfram diselenide và vonfram sulfua để tạo ra siêu mạng moiré và họ gắn các điện cực để quay lên hoặc xuống một điện trường đi qua bánh sandwich TMD. Điện trường kiểm soát số lượng điện tử sẽ lấp đầy mỗi siêu tế bào. Vì các tế bào hoạt động giống như các nguyên tử khổng lồ, việc đi từ một điện tử đến hai điện tử trên mỗi siêu tế bào giống như biến đổi một mạng nguyên tử hydro thành một mạng nguyên tử heli. Trong họ công bố mô hình Hubbard đầu tiên in Thiên nhiên vào tháng 2020 năm 1.38, họ báo cáo mô phỏng nguyên tử có tối đa hai điện tử; hôm nay, họ có thể lên đến tám. Ở khía cạnh nào đó, họ đã nhận ra mục đích cổ xưa là biến chì thành vàng. “Nó giống như điều chỉnh hóa học,” Mak nói, “xem qua bảng tuần hoàn.” Về nguyên tắc, chúng thậm chí có thể tạo ra một mạng lưới các nguyên tử hư cấu, chẳng hạn, mỗi nguyên tử có XNUMX electron.
Tiếp theo, nhóm nghiên cứu trái tim của các nguyên tử nhân tạo. Với nhiều điện cực hơn, họ có thể kiểm soát “tiềm năng” của siêu tế bào bằng cách thực hiện những thay đổi tương tự như việc thêm proton dương vào trung tâm của các nguyên tử tổng hợp khổng lồ. Hạt nhân càng có nhiều điện tích thì các electron càng khó đào thoát, vì vậy điện trường này cho phép chúng tăng và giảm xu hướng nhảy.
Việc kiểm soát các nguyên tử khổng lồ của Mak và Shan - và do đó là mô hình Hubbard - đã hoàn tất. Hệ thống moiré TMD cho phép chúng triệu hồi một mạng lưới các nguyên tử ersatz, ngay cả những nguyên tử không tồn tại trong tự nhiên và biến đổi chúng một cách suôn sẻ theo ý muốn. Đó là một sức mạnh, ngay cả đối với các nhà nghiên cứu khác trong lĩnh vực này, đều là ma thuật. “Nếu tôi muốn tìm ra nỗ lực thú vị và ấn tượng nhất của họ, thì đó chính là nỗ lực,” Kim nói.
Nhóm Cornell nhanh chóng sử dụng các nguyên tử thiết kế của họ để giải quyết một cuộc tranh luận kéo dài 70 năm. Câu hỏi đặt ra là: Điều gì sẽ xảy ra nếu bạn có thể lấy một chất cách điện và điều chỉnh các nguyên tử của nó để biến nó thành một kim loại dẫn điện? Sự thay đổi sẽ diễn ra dần dần hay đột ngột?
Với thuật giả kim độc đáo của mình, Shan và Mak đã thực hiện thí nghiệm suy nghĩ trong phòng thí nghiệm của họ. Đầu tiên, họ mô phỏng các nguyên tử nặng, chúng giữ các electron để siêu mạng TMD hoạt động như một chất cách điện. Sau đó, chúng thu nhỏ các nguyên tử, làm yếu cái bẫy cho đến khi các electron có thể nhảy tới tự do, để cho siêu mạng trở thành một kim loại dẫn điện. Bằng cách quan sát điện trở giảm dần khi siêu mạng hoạt động ngày càng giống kim loại, họ đã chỉ ra rằng sự chuyển đổi không đột ngột. Phát hiện này, mà họ đã thông báo in Thiên nhiên năm ngoái, mở ra khả năng rằng các điện tử của siêu mạng có thể đạt được một loại tính lưu động được tìm kiếm từ lâu được gọi là chất lỏng spin lượng tử. “Đó có thể là vấn đề thú vị nhất mà người ta có thể giải quyết,” Mak nói.
Gần như cùng lúc, cặp đôi này đã may mắn đạt được điều mà một số nhà vật lý cho là khám phá quan trọng nhất của họ. “Đó thực sự là một tai nạn hoàn toàn,” Mak nói. "Không ai mong đợi nó."
Khi họ bắt đầu nghiên cứu mô phỏng Hubbard, các nhà nghiên cứu đã sử dụng bánh mì kẹp TMD trong đó các hình lục giác trên hai lớp được căn chỉnh, với các kim loại chuyển tiếp trên đỉnh kim loại chuyển tiếp và chalcogenides ở trên cùng chalcogenides. (Đó là khi họ phát hiện ra sự chuyển đổi dần dần từ chất cách điện sang kim loại.) Sau đó, tình cờ, họ tình cờ lặp lại thí nghiệm với các thiết bị trong đó lớp trên cùng được xếp ngược lại.
Như trước đó, điện trở bắt đầu giảm khi các electron bắt đầu nhảy. Nhưng sau đó nó đột ngột lao xuống, xuống thấp đến mức các nhà nghiên cứu tự hỏi liệu moiré đã bắt đầu siêu dẫn hay chưa. Tuy nhiên, khám phá xa hơn, họ đo một kiểu kháng cự hiếm hoi được gọi là hiệu ứng Hall dị thường lượng tử - bằng chứng cho thấy điều gì đó thậm chí còn kỳ lạ đang xảy ra. Hiệu ứng chỉ ra rằng cấu trúc tinh thể của thiết bị đã buộc các điện tử dọc theo rìa của vật liệu hoạt động khác với các điện tử ở trung tâm. Ở giữa thiết bị, các electron bị giữ lại ở trạng thái cách điện. Nhưng xung quanh chu vi, chúng chảy theo một hướng - giải thích cho lực cản siêu thấp. Tình cờ, các nhà nghiên cứu đã tạo ra một loại vật chất cực kỳ khác thường và mỏng manh được gọi là chất cách điện Chern.
Hiệu ứng hội trường dị thường lượng tử, quan sát lần đầu tiên vào năm 2013, thường tan rã nếu nhiệt độ tăng trên vài phần trăm kelvin. Vào năm 2019, nhóm của Young ở Santa Barbara đã nhìn thấy nó trong một chiếc bánh sandwich graphene xoắn một lần vào khoảng 5 kelvins. Bây giờ Shan và Mak đã đạt được hiệu ứng ở nhiệt độ gần như nhau, nhưng trong một thiết bị TMD không xoắn mà bất kỳ ai cũng có thể tạo lại. “Nhiệt độ của chúng tôi cao hơn, nhưng tôi sẽ lấy nhiệt độ của chúng bất cứ ngày nào vì chúng có thể làm điều đó 10 lần liên tiếp,” Young nói. Điều đó có nghĩa là bạn có thể hiểu nó “và sử dụng nó để thực sự làm điều gì đó”.
Mak và Shan tin rằng, chỉ cần mày mò một chút, họ có thể sử dụng vật liệu TMD moiré để chế tạo chất cách điện Chern có tuổi thọ đến 50 hoặc 100 kelvin. Nếu chúng thành công, công việc có thể dẫn đến một cách khác để dòng điện chạy qua mà không có điện trở - ít nhất là đối với các “dây nano” nhỏ, chúng thậm chí có thể bật và tắt ở những nơi cụ thể trong một thiết bị.
Khám phá ở Flatland
Ngay cả khi kết quả quan trọng chồng chất, cặp đôi này không có dấu hiệu chậm lại. Vào ngày tôi đến thăm, Mak nhìn các sinh viên mày mò chế tạo ra một chiếc tủ lạnh pha loãng cao chót vót có thể cho phép họ làm lạnh thiết bị của họ đến nhiệt độ lạnh hơn hàng nghìn lần so với những gì họ đã làm cho đến nay. Có rất nhiều điều kiện vật lý được phát hiện ở điều kiện "ấm hơn" đến nỗi nhóm không có cơ hội tìm kiếm kỹ lưỡng lĩnh vực đông lạnh sâu hơn để tìm các dấu hiệu của hiện tượng siêu dẫn. Nếu tủ lạnh siêu cấp cho phép chất siêu dẫn TMD, điều đó sẽ trả lời một câu hỏi khác, cho thấy rằng một dạng từ tính nội tại của cốc (nhưng không có trong TMDs) không phải là thành phần thiết yếu của keo liên kết điện tử. “Điều đó giống như giết một trong những thành phần quan trọng mà các nhà lý thuyết thực sự muốn giết từ lâu,” Mak nói.
Anh ấy và Shan và nhóm của họ thậm chí còn chưa bắt đầu thử nghiệm với một số TMDs vui nhộn hơn. Sau nhiều năm phát minh ra thiết bị cần thiết để di chuyển quanh lục địa vật liệu 2D, cuối cùng họ cũng chuẩn bị mạo hiểm vượt ra khỏi bãi biển moly disulfide mà họ đã hạ cánh vào năm 2010.
Hai nhà nghiên cứu cho rằng thành công của họ là nhờ văn hóa hợp tác mà họ đã tiếp thu tại Columbia. Họ nói rằng sự hợp tác ban đầu với Hone đã giới thiệu họ đến moly disulfide chỉ là một trong số rất nhiều cơ hội mà họ được hưởng vì họ được tự do theo dõi sự tò mò của mình. Shan nói: “Chúng tôi không cần phải thảo luận về kế hoạch của họ với Heinz, người đứng đầu phòng thí nghiệm của họ. “Chúng tôi đã nói chuyện với những người từ các nhóm khác. Chúng tôi đã làm các thí nghiệm. Chúng tôi thậm chí còn gói gọn mọi thứ ”.
Ngày nay, họ nuôi dưỡng một môi trường thoải mái tương tự tại Cornell, nơi họ giám sát vài chục postdocs, thăm các nhà nghiên cứu và sinh viên, tất cả đều được tự do làm việc của riêng mình. “Học sinh rất thông minh và có những ý tưởng hay,” Mak nói. "Đôi khi bạn không muốn can thiệp."
Cuộc hôn nhân của họ cũng làm cho phòng thí nghiệm của họ trở nên độc đáo. Cả hai đã học cách dựa vào thế mạnh cá nhân của họ. Ngoài khả năng sáng tạo dồi dào với tư cách là một nhà thực nghiệm, Shan còn có một kỷ luật cẩn thận khiến cô trở thành một nhà quản lý giỏi; khi ba người chúng tôi nói chuyện, cô ấy thường thúc giục “Giáo sư Fai” đi đúng hướng khi sự nhiệt tình của anh ấy đối với vật lý đã đẩy anh ấy quá sâu vào các kỹ thuật. Về phần mình, Mak thích làm việc cùng với các nhà nghiên cứu thuở ban đầu, cả trong và ngoài phòng thí nghiệm. Gần đây anh ấy đã bắt đầu leo núi với nhóm. Young nói: “Có vẻ như phòng thí nghiệm là gia đình của họ. Shan và Mak nói với tôi rằng họ cùng nhau đạt được nhiều thứ hơn là một mình. “Một cộng một là nhiều hơn hai,” Mak nói.
Các thiết bị họ đang chế tạo cũng có thể xếp chồng lên nhau nhiều hơn tổng các bộ phận của chúng. Khi các nhà nghiên cứu kết hợp các tấm TMD lại với nhau để tạo ra exciton và siêu kết tụ moiré, họ suy đoán về cách thức mới để thuần hóa các điện tử có thể tạo ra công nghệ siêu phóng điện. Ngay cả khi hiện tượng siêu dẫn có thể bỏ túi vẫn khó nắm bắt, các chất ngưng tụ Bose-Einstein có thể dẫn đến các cảm biến lượng tử siêu nhạy và việc kiểm soát tốt hơn các chất cách điện giống Chern có thể cho phép máy tính lượng tử mạnh mẽ. Và đó chỉ là những ý tưởng hiển nhiên. Những cải tiến ngày càng tăng trong khoa học vật liệu thường tạo ra những ứng dụng cấp tiến mà ít người thấy đến. Ví dụ, các nhà nghiên cứu phát triển bóng bán dẫn sẽ phải vật lộn để dự đoán điện thoại thông minh được cung cấp bởi hàng tỷ công tắc siêu nhỏ được nhồi vào một con chip có kích thước bằng móng tay. Và các nhà khoa học cố gắng tạo ra sợi thủy tinh thời trang có thể mang ánh sáng qua băng ghế phòng thí nghiệm của họ không thể lường trước rằng một ngày nào đó sợi quang học dưới biển dài 10,000 km sẽ liên kết các lục địa. Vật liệu hai chiều có thể phát triển theo những hướng tương tự không thể đoán trước được. Heinz cho biết: “Một nền tảng vật liệu thực sự mới tạo ra các ứng dụng của riêng nó thay vì thay thế các vật liệu hiện có.
Khi lái xe đưa tôi đến bến xe buýt Ithaca, Shan và Mak kể cho tôi nghe về kỳ nghỉ gần đây (và hiếm hoi) mà họ đã đến Banff, Canada, nơi họ một lần nữa thể hiện sở trường của mình là vấp phải những điều bất ngờ thông qua sự pha trộn giữa nỗ lực và may mắn. Họ đã mất nhiều ngày cố gắng - vô ích - để phát hiện ra một con gấu. Sau đó, khi kết thúc chuyến đi, trên đường đến sân bay, họ dừng lại để duỗi chân tại một khu bảo tồn thực vật và thấy mình đang đối mặt với một con gấu đen.
Tương tự, với vật lý vật chất cô đặc, cách tiếp cận của họ là đi lang thang cùng nhau trong một cảnh quan mới và xem những gì xuất hiện. Mak nói: “Chúng tôi không có nhiều hướng dẫn về lý thuyết, nhưng chúng tôi chỉ đánh lừa và chơi với các thí nghiệm. "Nó có thể thất bại, nhưng đôi khi bạn có thể va vào một điều gì đó rất bất ngờ."
