Το Physics Duo βρίσκει τη μαγεία σε δύο διαστάσεις

Ο μολυβδενίτης, ακόμη και στο εκπαιδευμένο μάτι, μοιάζει σχεδόν πανομοιότυπος με τον γραφίτη - έναν λαμπερό, ασημί κρύσταλλο. Λειτουργεί επίσης με τον ίδιο τρόπο, αφαιρώντας τις νιφάδες με τρόπο που θα έκανε μια καλή γέμιση με μολύβι. Αλλά για ένα ηλεκτρόνιο, τα δύο πλέγματα των ατόμων σχηματίζουν διαφορετικούς κόσμους. Η διάκριση μπήκε για πρώτη φορά στο επιστημονικό αρχείο πριν από 244 χρόνια. Ο Carl Scheele, ένας Σουηδός χημικός γνωστός για την ανακάλυψη του οξυγόνου, βύθισε κάθε ορυκτό σε διάφορα οξέα και παρακολούθησε τα θορυβώδη σύννεφα αερίου που αναβλύζουν. Ο Scheele, ο οποίος τελικά πλήρωσε αυτή την προσέγγιση με τη ζωή του, πεθαίνοντας από ύποπτη δηλητηρίαση από βαρύ μέταλλο στα 43 του, κατέληξε στο συμπέρασμα ότι ο μολυβδενίτης ήταν μια νέα ουσία. Περιγράφοντάς το σε μια επιστολή του προς τη Βασιλική Σουηδική Ακαδημία Επιστημών το 1778, έγραψε:«Δεν αναφέρομαι εδώ στον κοινώς γνωστό γραφίτη που μπορεί κανείς να αποκτήσει από το φαρμακείο. Αυτό το μεταβατικό μέταλλο φαίνεται να είναι άγνωστο.»

Με την τάση του να ξεφλουδίζει σε θραύσματα σκόνης, ο μολυβδενίτης έγινε δημοφιλές λιπαντικό τον 20ο αιώνα. Βοήθησε τα σκι να γλιστρήσουν μακρύτερα μέσα στο χιόνι και εξομάλυνσε την έξοδο των σφαιρών από τις κάννες τουφεκιού στο Βιετνάμ.

Σήμερα, αυτή η ίδια φθορά τροφοδοτεί μια επανάσταση στη φυσική.

Οι ανακαλύψεις ξεκίνησαν με τον γραφίτη και την ταινία Scotch. Οι ερευνητές ανακάλυψαν τυχαία το 2004 ότι μπορούσαν να χρησιμοποιήσουν ταινία για να ξεφλουδίσουν νιφάδες γραφίτη πάχους μόνο ενός ατόμου. Αυτά τα κρυσταλλικά φύλλα, το καθένα από μια επίπεδη σειρά ατόμων άνθρακα, είχαν εκπληκτικές ιδιότητες που ήταν ριζικά διαφορετικές από εκείνες των τρισδιάστατων κρυστάλλων από τους οποίους προέρχονταν. Το γραφένιο (όπως το ονόμασαν οι ανακαλύψεις του) ήταν μια εντελώς νέα κατηγορία ουσίας - ένα υλικό 2D. Η ανακάλυψή του μεταμόρφωσε τη φυσική της συμπυκνωμένης ύλης, τον κλάδο της φυσικής που επιδιώκει να κατανοήσει τις πολλές μορφές και συμπεριφορές της ύλης. Σχεδόν οι μισοί φυσικοί είναι φυσικοί της συμπυκνωμένης ύλης. είναι το υποπεδίο που μας έφερε τσιπ υπολογιστών, λέιζερ, λαμπτήρες LED, μηχανήματα μαγνητικής τομογραφίας, ηλιακούς συλλέκτες και κάθε είδους σύγχρονα τεχνολογικά θαύματα. Μετά την ανακάλυψη του γραφενίου, χιλιάδες φυσικοί της συμπυκνωμένης ύλης άρχισαν να μελετούν το νέο υλικό, ελπίζοντας ότι θα υποστηρίξει τις μελλοντικές τεχνολογίες.

Οι ανακαλύψεις του Γραφενίου έλαβαν το Νόμπελ Φυσικής το 2010. Την ίδια χρονιά, δύο νεαροί φυσικοί στο Πανεπιστήμιο της Κολούμπια, ο Τζι Σαν και ο Κιν Φάι Μακ, είδαν σημάδια ότι οι νιφάδες μολυβδενίτη μπορεί να είναι ακόμη πιο μαγικές από το γραφένιο. Το λιγότερο γνωστό ορυκτό έχει ιδιότητες που το καθιστούν δύσκολο στη μελέτη - πολύ σκληρό για πολλά εργαστήρια - αλλά γοήτευσε τους Shan και Mak. Το επίμονο δίδυμο αφιέρωσε σχεδόν μια δεκαετία στη διαμάχη του 2D μολυβδενίτη (ή του δισουλφιδίου του μολυβδαινίου, όπως ονομάζεται η εργαστηριακή έκδοση του κρυστάλλου) και μιας οικογένειας στενά συγγενών 2D κρυστάλλων.

Τώρα η προσπάθειά τους αποδίδει καρπούς. Ο Shan και ο Mak, που είναι τώρα παντρεμένοι και διευθύνουν μια κοινή ερευνητική ομάδα στο Πανεπιστήμιο Cornell, έχουν δείξει ότι οι 2D κρύσταλλοι δισουλφιδίου του μολυβδαινίου και οι συγγενείς του μπορούν να προκαλέσουν μια τεράστια ποικιλία εξωτικών κβαντικών φαινομένων. «Είναι μια τρελή παιδική χαρά», είπε ο Τζέιμς Χόουν, ερευνητής στην Κολούμπια που προμηθεύει το εργαστήριο του Κορνέλ με κρυστάλλους υψηλής ποιότητας. "Μπορείτε να κάνετε όλη τη σύγχρονη φυσική συμπυκνωμένης ύλης σε ένα σύστημα υλικού."

Η ομάδα των Shan και Mak έχει συλλάβει ηλεκτρόνια που συμπεριφέρονται με πρωτοφανή τρόπο σε αυτούς τους επίπεδους κρυστάλλους. Έχουν ωθήσει τα σωματίδια να συγχωνευθούν σε ένα κβαντικό ρευστό και να παγώσουν σε μια ποικιλία δομών που μοιάζουν με πάγο. Έμαθαν να συναρμολογούν πλέγματα από γιγάντια τεχνητά άτομα που τώρα χρησιμεύουν ως κρεβάτια δοκιμών για θεμελιώδεις θεωρίες της ύλης. Από τότε που άνοιξαν το εργαστήριό τους στο Cornell το 2018, οι κύριοι δαμαστές ηλεκτρονίων έχουν δημοσιεύσει οκτώ εντυπωσιακές εργασίες στο Nature , το πιο διάσημο περιοδικό στην επιστήμη, καθώς και μια σειρά από περαιτέρω εργασίες. Οι θεωρητικοί λένε ότι το ζευγάρι διευρύνει την κατανόηση του τι είναι ικανά πλήθη ηλεκτρονίων.

Η έρευνά τους «είναι βαθιά εντυπωσιακή από πολλές απόψεις», είπε ο Philip Kim, ένας εξέχων φυσικός συμπυκνωμένης ύλης στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ. "Είναι, θα έλεγα, συγκλονιστικό."

Η άνοδος των υλικών 2D

Τα χαρακτηριστικά ενός υλικού αντικατοπτρίζουν γενικά αυτό που κάνουν τα ηλεκτρόνια του. Σε αγωγούς όπως τα μέταλλα, για παράδειγμα, τα ηλεκτρόνια πλέουν μεταξύ ατόμων με ευκολία, μεταφέροντας ηλεκτρισμό. Σε μονωτήρες όπως το ξύλο και το γυαλί, τα ηλεκτρόνια παραμένουν στη θέση τους. Ημιαγωγοί όπως το πυρίτιο εμπίπτουν μεταξύ τους:Τα ηλεκτρόνια τους μπορούν να αναγκαστούν να κινηθούν με μια εισροή ενέργειας, καθιστώντας τα ιδανικά για την ενεργοποίηση και απενεργοποίηση των ρευμάτων - δουλειά ενός τρανζίστορ. Τα τελευταία 50 χρόνια, εκτός από αυτές τις τρεις βασικές συμπεριφορές ηλεκτρονίων, οι φυσικοί της συμπυκνωμένης ύλης έχουν δει τα ελαφρά φορτισμένα σωματίδια να συμπεριφέρονται με πολλούς πιο εξωτικούς τρόπους.

Μία από τις πιο δραματικές εκπλήξεις ήρθε το 1986, όταν δύο ερευνητές της IBM, ο Georg Bednorz και ο Alex Müller, εντόπισαν ένα ρεύμα ηλεκτρονίων που κινούνταν μέσα από έναν κρύσταλλο οξειδίου του χαλκού ("cuprate") χωρίς καμία απολύτως αντίσταση. Αυτή η υπεραγωγιμότητα - η ικανότητα του ηλεκτρισμού να ρέει με τέλεια απόδοση - είχε παρατηρηθεί στο παρελθόν, αλλά μόνο για καλά κατανοητούς λόγους σε υλικά που ψύχονται σε μερικούς βαθμούς απόλυτο μηδέν. Αυτή τη φορά, ο Bednorz και ο Müller παρατήρησαν μια μυστηριώδη μορφή του φαινομένου που παρέμεινε σε ένα ρεκόρ 35 Kelvin (δηλαδή 35 μοίρες πάνω από το απόλυτο μηδέν). Σύντομα οι επιστήμονες ανακάλυψαν άλλους χαλκούδες που υπεραγωγούν πάνω από 100 Κέλβιν. Γεννήθηκε ένα όνειρο που παραμένει ίσως ο νούμερο ένα στόχος της φυσικής της συμπυκνωμένης ύλης σήμερα:η εύρεση ή η κατασκευή μιας ουσίας που μπορεί να υπεραγώγει ηλεκτρισμό στον καυτό κόσμο μας, περίπου 300 Kelvin, επιτρέποντας ηλεκτρικές γραμμές χωρίς απώλειες, αιωρούμενα οχήματα και άλλες υπερ-αποδοτικές συσκευές που θα μείωνε σημαντικά τις ενεργειακές ανάγκες της ανθρωπότητας.

Το κλειδί για την υπεραγωγιμότητα είναι να ομογενοποιηθούν τα ηλεκτρόνια, τα οποία κανονικά απωθούν το ένα το άλλο, να ζευγαρώσουν και να σχηματίσουν οντότητες γνωστές ως μποζόνια. Τα μποζόνια μπορούν στη συνέχεια να συγχωνευθούν συλλογικά σε ένα κβαντικό ρευστό χωρίς τριβές. Οι ελκτικές δυνάμεις που δημιουργούν μποζόνια, όπως οι ατομικοί κραδασμοί, μπορούν κανονικά να υπερνικήσουν την απώθηση των ηλεκτρονίων μόνο σε κρυογονικές θερμοκρασίες ή υψηλές πιέσεις. Αλλά η ανάγκη για αυτές τις ακραίες συνθήκες έχει εμποδίσει την υπεραγωγιμότητα να βρει το δρόμο της στις καθημερινές συσκευές. Η ανακάλυψη των χαλκού δημιούργησε ελπίδες ότι το σωστό ατομικό πλέγμα θα μπορούσε να «κολλήσει» τα ηλεκτρόνια μεταξύ τους τόσο σταθερά που θα έμεναν κολλημένα ακόμα και σε θερμοκρασία δωματίου.

Συνεχίζοντας 40 χρόνια μετά το εύρημα των Bednorz και Müller, οι θεωρητικοί εξακολουθούν να μην είναι απολύτως βέβαιοι πώς λειτουργεί η κόλλα στα χαλκό, πολύ περισσότερο πώς να τροποποιήσουν τα υλικά για να την ενισχύσουν. Έτσι, πολλή έρευνα στη φυσική της συμπυκνωμένης ύλης είναι ένα κυνήγι δοκιμών και λάθους για κρυστάλλους που μπορούν να διατηρήσουν τα ηλεκτρόνια τους σε ζεύγη ή να προκαλέσουν ηλεκτρόνια με άλλους θαυμαστούς τρόπους. «Η συμπυκνωμένη ύλη είναι ένας κλάδος της φυσικής που επιτρέπει τη σύγχυση», είπε η Κιμ. Αυτή ήταν η ανακάλυψη 2D υλικών το 2004.

Ο Andre Geim και ο Konstantin Novoselov, που εργάζονταν με γραφίτη στο Πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ στο Ηνωμένο Βασίλειο, ανακάλυψαν μια συγκλονιστική συνέπεια της νιφάδας του υλικού. Ένας κρύσταλλος γραφίτη περιέχει άτομα άνθρακα διατεταγμένα σε χαλαρά συνδεδεμένα φύλλα εξαγώνων. Οι θεωρητικοί είχαν προβλέψει από καιρό ότι χωρίς τη σταθεροποιητική επίδραση της στοίβας, οι δονήσεις που προκαλούνται από τη θερμότητα θα διασπούσαν ένα φύλλο μιας στρώσης. Αλλά ο Geim και ο Novoselov διαπίστωσαν ότι μπορούσαν να ξεκολλήσουν σταθερά, ατομικά λεπτά φύλλα με κάτι περισσότερο από κολλητική ταινία και επιμονή. Το γραφένιο ήταν το πρώτο πραγματικά επίπεδο υλικό — ένα επίπεδο στο οποίο τα ηλεκτρόνια μπορούν να γλιστρήσουν γύρω, αλλά όχι πάνω-κάτω.

Ο Χόουν, ο φυσικός της Κολούμπια, ανακάλυψε ότι το λεπτότερο υλικό του κόσμου είναι κατά κάποιο τρόπο και το ισχυρότερο. Ήταν μια αξιοσημείωτη αναστάτωση για ένα υλικό που οι θεωρητικοί πίστευαν ότι δεν θα κολλούσε καθόλου μαζί.

Αυτό που ενθουσίασε περισσότερο τους φυσικούς σχετικά με το γραφένιο ήταν το πώς η πεδινή περιοχή άνθρακα μεταμόρφωσε τα ηλεκτρόνια:Τίποτα δεν μπορούσε να τα επιβραδύνει. Τα ηλεκτρόνια συχνά σκοντάφτουν από το πλέγμα των ατόμων μέσω του οποίου κινούνται, ενεργώντας βαρύτερα από τη μάζα του σχολικού βιβλίου τους (τα ακίνητα ηλεκτρόνια ενός μονωτή λειτουργούν σαν να έχουν άπειρη μάζα). Το επίπεδο πλέγμα του γραφενίου, ωστόσο, αφήνει τα ηλεκτρόνια να κινούνται γύρω με ένα εκατομμύριο μέτρα ανά δευτερόλεπτο - μόνο μερικές εκατοντάδες φορές πιο αργά από την ταχύτητα του φωτός. Με αυτή τη σταθερή ταχύτητα, τα ηλεκτρόνια πέταξαν σαν να μην είχαν καθόλου μάζα, ευλογώντας το γραφένιο με εξαιρετική (αν και όχι σούπερ) αγωγιμότητα.

Ένα ολόκληρο χωράφι ξεπήδησε γύρω από το θαυματουργό υλικό. Οι ερευνητές άρχισαν επίσης να σκέφτονται ευρύτερα. Θα μπορούσαν οι 2D νιφάδες άλλων ουσιών να φιλοξενούν τις δικές τους υπερδυνάμεις; Ο Χόνε ήταν μεταξύ αυτών που διακλαδίστηκαν. Το 2009, μέτρησε ορισμένες μηχανικές ιδιότητες του doppelgänger του γραφίτη, το δισουλφίδιο του μολυβδαινίου, και στη συνέχεια έδωσε τον κρύσταλλο σε δύο ειδικούς οπτικών στο εργαστήριο Columbia του Tony Heinz. Ήταν μια περιστασιακή κίνηση που θα άλλαζε την καριέρα όλων των εμπλεκομένων.

Το δείγμα δισουλφιδίου του μολυβδαινίου προσγειώθηκε στα χέρια της Jie Shan, επισκέπτριας καθηγήτριας στην αρχή της καριέρας της, και του Kin Fai Mak, μεταπτυχιακού φοιτητή. Το νεαρό δίδυμο μελετούσε πώς το γραφένιο αλληλεπιδρά με το φως, αλλά είχαν ήδη αρχίσει να ονειρεύονται άλλα υλικά. Τα γρήγορα ηλεκτρόνια του γραφενίου το καθιστούν έναν φανταστικό αγωγό, αλλά αυτό που ήθελαν ήταν ένας ημιαγωγός 2D — ένα υλικό του οποίου η ροή ηλεκτρονίων θα μπορούσαν να ενεργοποιήσουν και να απενεργοποιήσουν και το οποίο θα μπορούσε επομένως να χρησιμεύσει ως τρανζίστορ.

Το δισουλφίδιο του μολυβδαινίου ήταν γνωστό ότι είναι ημιαγωγός. Και ο Shan και ο Mak ανακάλυψαν σύντομα ότι, όπως ο γραφίτης, απέκτησε πρόσθετες δυνάμεις στο 2D. Όταν έστρεψαν ένα λέιζερ σε τρισδιάστατους κρυστάλλους «moly disulfide» (όπως το αποκαλούν με αγάπη), οι κρύσταλλοι παρέμειναν σκούροι. Αλλά όταν ο Shan και ο Mak άρπαξαν στρώματα με ταινία Scotch, τα χτύπησαν με λέιζερ και τα εξέτασαν κάτω από ένα μικροσκόπιο, είδαν τα φύλλα 2D να λάμπουν έντονα.

Έρευνα από άλλες ομάδες θα επιβεβαίωνε αργότερα ότι τα καλά κατασκευασμένα φύλλα ενός στενά συγγενούς υλικού αντανακλούν κάθε τελευταίο φωτόνιο που τα χτυπά. «Αυτό είναι κάπως συγκλονιστικό», είπε ο Μακ πρόσφατα, όταν συνάντησα αυτόν και τη Σαν στο κοινό γραφείο τους στο Κορνέλ. «Έχετε απλώς ένα μόνο φύλλο ατόμων και μπορεί να αντανακλά το 100% του φωτός σαν ένας τέλειος καθρέφτης». Συνειδητοποίησαν ότι αυτή η ιδιότητα μπορεί να οδηγήσει σε εντυπωσιακές οπτικές συσκευές.

Ανεξάρτητα, ο Φενγκ Γουάνγκ, ένας φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϋ, έκανε την ίδια ανακάλυψη. Ένα δισδιάστατο υλικό που ήταν ιδιαίτερα ανακλαστικό και ημιαγωγός για την εκκίνηση τράβηξε την προσοχή της κοινότητας. Και οι δύο ομάδες δημοσίευσαν τα ευρήματά τους το 2010. Οι εργασίες έχουν λάβει από τότε περισσότερες από 16.000 αναφορές μεταξύ τους. "Όλοι με λέιζερ άρχισαν να ενδιαφέρονται πολύ για τα δισδιάστατα υλικά", είπε ο Hone.

Αναγνωρίζοντας το δισουλφίδιο του μολυίου ως ένα δεύτερο θαυματουργό υλικό 2D, οι δύο ομάδες είχαν φτάσει στην ξηρά σε μια ολόκληρη ήπειρο δισδιάστατων υλικών. Το δισουλφίδιο του μολυβδίου ανήκει σε μια οικογένεια ουσιών γνωστών ως διχαλκογονίδια μετάλλων μεταπτώσεως (TMDs), στην οποία άτομα από τη μεταλλική μεσαία περιοχή του περιοδικού πίνακα, όπως το μολυβδαίνιο, συνδέονται με ζεύγη χημικών ενώσεων γνωστών ως χαλκογονίδια, όπως το θείο. Το δισουλφίδιο του μολυβίου είναι το μόνο φυσικώς απαντώμενο TMD, αλλά υπάρχουν δεκάδες άλλα που μπορούν να βρουν οι ερευνητές στα εργαστήρια - το δισουλφίδιο βολφραμίου, το διτελλουρίδιο του μολυβδαινίου και ούτω καθεξής. Τα περισσότερα σχηματίζουν φύλλα ασθενώς δεμένα, καθιστώντας τα ευαίσθητα στην επιχειρηματική πλευρά μιας ταινίας.

Το αρχικό κύμα ενθουσιασμού σύντομα υποχώρησε, ωστόσο, καθώς οι ερευνητές προσπαθούσαν να κάνουν τα TMD να κάνουν περισσότερα από τη λάμψη. Η ομάδα του Wang, για πρώτη φορά, έπεσε πίσω στο γραφένιο αφού διαπίστωσε ότι δεν μπορούσαν εύκολα να συνδέσουν μεταλλικά ηλεκτρόδια στο δισουλφίδιο της μολυσίας. «Αυτό ήταν το εμπόδιο για την ομάδα μας εδώ και αρκετά χρόνια», είπε. «Ακόμα και τώρα δεν είμαστε πολύ καλοί στο να κάνουμε επαφή». Φαινόταν ότι το κύριο πλεονέκτημα των TMD έναντι του γραφενίου ήταν και η μεγαλύτερη αδυναμία τους:Για να μελετήσουν τις ηλεκτρονικές ιδιότητες ενός υλικού, οι ερευνητές πρέπει συχνά να σπρώχνουν ηλεκτρόνια σε αυτό και να μετρούν την αντίσταση του ρεύματος που προκύπτει. Επειδή όμως οι ημιαγωγοί είναι κακοί αγωγοί, είναι δύσκολο να εισέλθουν ή να βγουν ηλεκτρόνια.

Ο Μακ και ο Σαν αρχικά ένιωθαν αμφίθυμοι. «Ήταν πραγματικά ασαφές αν θα έπρεπε να συνεχίσουμε να εργαζόμαστε πάνω στο γραφένιο ή να αρχίσουμε να εργαζόμαστε σε αυτό το νέο υλικό», είπε ο Μακ. "Αλλά αφού διαπιστώσαμε ότι έχει αυτή την ωραία ιδιότητα, συνεχίσαμε να κάνουμε μερικά ακόμα πειράματα."

Καθώς εργάζονταν, οι δύο ερευνητές γοητεύονταν όλο και περισσότερο από το δισουλφίδιο της μολυίου και ο ένας από τον άλλον. Αρχικά, η επαφή τους ήταν επαγγελματική, περιοριζόμενη σε μεγάλο βαθμό σε email που εστιάζονταν στην έρευνα. «Η Φάι ρωτούσε συχνά, «Πού είναι αυτό το κομμάτι του εξοπλισμού; Πού το έβαλες;» είπε η Σαν. Αλλά τελικά η σχέση τους, που επωάστηκε από πολλές ώρες και καταλύθηκε από πειραματική επιτυχία, έγινε ρομαντική. «Απλώς βλέπαμε ο ένας τον άλλον πολύ συχνά, κυριολεκτικά στο ίδιο εργαστήριο να δουλεύουμε στο ίδιο έργο», είπε ο Μακ. "Το έργο που λειτουργεί πολύ καλά μας έκανε επίσης χαρούμενους."

All Physics All the Time

Θα χρειαζόταν μια συνεργασία μεταξύ δύο αφοσιωμένων φυσικών με σιδερένια πειθαρχία για να αποκατασταθούν τα ενοχλητικά TMD.

Οι ακαδημαϊκοί έρχονταν πάντα εύκολα στο Shan. Μεγαλωμένη τη δεκαετία του 1970 στην παράκτια επαρχία Zhejiang, ήταν μια σταρ μαθήτρια, διακρίθηκε στα μαθηματικά, τις επιστήμες και τη γλώσσα και κέρδισε μια πολυπόθητη θέση στο Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας της Κίνας στο Hefei. Εκεί, προκρίθηκε για ένα επιλεκτικό πρόγραμμα πολιτιστικών ανταλλαγών μεταξύ της Κίνας και της Σοβιετικής Ένωσης και άδραξε την ευκαιρία να σπουδάσει ρωσικά και φυσική στο Κρατικό Πανεπιστήμιο της Μόσχας. «Όταν είσαι έφηβος, είσαι πρόθυμος να εξερευνήσεις τον κόσμο», είπε. "Δεν δίστασα."

Αμέσως, είδε περισσότερα από τον κόσμο από όσα είχε παζαρέψει. Τα προβλήματα με τις βίζες καθυστέρησαν την άφιξή της στη Ρωσία κατά μερικούς μήνες και έχασε τη θέση της στο γλωσσικό πρόγραμμα. Οι αρχές της βρήκαν άλλη πορεία και λίγο μετά την προσγείωση στη Μόσχα επιβιβάστηκε σε τρένο και ταξίδεψε 5.000 χιλιόμετρα ανατολικά. Τρεις μέρες αργότερα έφτασε στην πόλη Ιρκούτσκ στη μέση της Σιβηρίας στην αρχή του χειμώνα. «Η συμβουλή που έλαβα ήταν:«Μην αγγίζεις ποτέ τίποτα χωρίς γάντια», για να μην κολλήσει, είπε. 

Η Shan κράτησε τα γάντια της, έμαθε ρωσικά σε ένα μόνο εξάμηνο και άρχισε να εκτιμά την έντονη ομορφιά του χειμωνιάτικου τοπίου. Όταν τελείωσε η πορεία και το χιόνι έλιωσε, επέστρεψε στην πρωτεύουσα για να ξεκινήσει το πτυχίο της στη φυσική, φτάνοντας στη Μόσχα την άνοιξη του 1990, εν μέσω της διάλυσης της Σοβιετικής Ένωσης.

Ήταν χαοτικά χρόνια. Ο Σαν είδε τανκς να κυλιούνται στους δρόμους κοντά στο πανεπιστήμιο καθώς οι κομμουνιστές προσπαθούσαν να ανακτήσουν τον έλεγχο της κυβέρνησης. Σε άλλη περίπτωση, αμέσως μετά τις τελικές εξετάσεις, ξέσπασαν καυγάδες. «Μπορούσαμε να ακούσουμε πυροβολισμούς και μας είπαν να σβήσουμε τα φώτα στον κοιτώνα», είπε. Τα πάντα, από το φαγητό μέχρι το χαρτί υγείας, διανεμήθηκαν μέσω ενός συστήματος κουπονιών. Ωστόσο, η Shan ένιωσε να εμπνέεται από την ανθεκτικότητα των καθηγητών της, οι οποίοι συνέχισαν την έρευνά τους παρά την αναταραχή. «Οι συνθήκες ήταν δύσκολες, αλλά πολλοί από τους επιστήμονες είχαν μια τέτοια στάση. Αγαπούν πραγματικά αυτό που κάνουν, παρά το τι συμβαίνει», είπε.

Καθώς η παγκόσμια τάξη κατέρρευσε, η Shan ξεχώρισε, δημοσιεύοντας μια θεωρητική δημοσίευση οπτικών που τράβηξε το μάτι του Heinz στην Κολούμπια. Την ενθάρρυνε να κάνει αίτηση και εκείνη μετακόμισε στη Νέα Υόρκη, όπου περιστασιακά βοηθούσε άλλους διεθνείς φοιτητές να βρουν τα πόδια τους σε μια ξένη χώρα. Προσέλαβε τον Wang για να εργαστεί στο εργαστήριο του Heinz, για παράδειγμα, και μοιράστηκε πειραματικές συμβουλές. «Μου έμαθε πώς να είμαι υπομονετικός», είπε, και «πώς να μην απογοητεύομαι με το λέιζερ».

Οι περισσότεροι ερευνητές παίρνουν μια μεταδιδακτορική θέση μετά την απόκτηση του διδακτορικού τους, αλλά η Shan εντάχθηκε στο Πανεπιστήμιο Case Western Reserve απευθείας ως αναπληρώτρια καθηγήτρια το 2001. Αρκετά χρόνια αργότερα, σε μια άδεια, επέστρεψε στο εργαστήριο του Heinz στην Κολούμπια. Για μια φορά, ο συγχρονισμός της ήταν τυχαίος. Άρχισε να συνεργάζεται με έναν γοητευτικό και με λαμπερά μάτια μεταπτυχιακό φοιτητή στην ομάδα του Heinz, τον Kin Fai Mak.

Ο Μακ είχε ακολουθήσει μια διαφορετική, λιγότερο ταραχώδη πορεία προς τη Νέα Υόρκη. Μεγαλώνοντας στο Χονγκ Κονγκ, δυσκολεύτηκε στο σχολείο, καθώς ελάχιστα εκτός από τη φυσική του έκαναν νόημα. "Ήταν το μόνο πράγμα που μου αρέσει και στο οποίο ήμουν πραγματικά καλός, γι' αυτό επέλεξα τη φυσική", είπε.

Η προπτυχιακή του έρευνα στο Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας του Χονγκ Κονγκ ξεχώρισε και ο Heinz τον στρατολόγησε για να συμμετάσχει στο ακμάζον πρόγραμμα φυσικής συμπυκνωμένης ύλης της Κολούμπια. Εκεί, στράφηκε στην έρευνα, περνώντας σχεδόν όλες τις ώρες που ήταν ξύπνιος στο εργαστήριο εκτός από το περιστασιακό παιχνίδι ενδοσχολικού ποδοσφαίρου. Ο Andrea Young, ένας συμφοιτητής (τώρα καθηγητής στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Santa Barbara), μοιραζόταν ένα διαμέρισμα με τον Mak στη West 113th Street. «Ήμουν τυχερός αν μπορούσα να τον πιάσω στις 2 η ώρα το πρωί για να μαγειρέψει μερικά ζυμαρικά και να μιλήσει για τη φυσική. Ήταν όλη η φυσική όλη την ώρα», είπε ο Young.

Αλλά οι καλές στιγμές δεν κράτησαν. Λίγο μετά από μια εκδρομή στο τροπικό δάσος του Αμαζονίου στην Κολομβία με τον Young, ο Mak αρρώστησε. Οι γιατροί του δεν ήταν σίγουροι τι να κάνουν με τα αινιγματικά αποτελέσματα των εξετάσεών του και αρρώστησε περισσότερο. Μια τυχερή σύμπτωση του έσωσε τη ζωή. Ο Young περιέγραψε την κατάσταση στον πατέρα του, έναν ιατρικό ερευνητή, ο οποίος αναγνώρισε αμέσως τα σημάδια της απλαστικής αναιμίας - μια ασυνήθιστη πάθηση του αίματος που έτυχε να είναι το αντικείμενο της δικής του έρευνας. «Είναι πραγματικά σπάνιο να πάθεις αυτή την ασθένεια, πρώτα απ' όλα», είπε ο Μακ. "Και ακόμη πιο σπάνιο να πάθεις μια ασθένεια στην οποία ο πατέρας του συγκάτοικού σου είναι ειδικός."

Ο πατέρας του Young βοήθησε τον Mak να εγγραφεί σε πειραματικές θεραπείες. Πέρασε μεγάλο μέρος του τελευταίου έτους του μεταπτυχιακού στο νοσοκομείο και έφτασε κοντά στον θάνατο αρκετές φορές. Καθ' όλη τη διάρκεια της δοκιμασίας, η λατρεία του Μακ για τη φυσική τον ώθησε να συνεχίσει να εργάζεται. «Έγραφε PRL γράμματα από το κρεβάτι του στο νοσοκομείο», είπε ο Γιανγκ, αναφερόμενος στο περιοδικό Physical Review Letters . "Παρ' όλα αυτά, ήταν ένας από τους πιο παραγωγικούς μαθητές όλων των εποχών", είπε ο Heinz. "Ήταν κάτι σαν θαύμα."

Περαιτέρω θεραπείες βοήθησαν τελικά τον Mak να αναρρώσει πλήρως. Ο Young, ο ίδιος γνωστός πειραματιστής, θα πει αργότερα για τις παρεμβάσεις του:«Μεταξύ φίλων το αποκαλώ τη μεγαλύτερη συνεισφορά μου στη φυσική».

Into the 2D Wilderness

Ο Mak μετακόμισε στο Cornell ως μεταδιδακτορικός ερευνητής το 2012, οπότε ο Shan είχε ήδη επιστρέψει στο Case Western. Ακολούθησαν μεμονωμένα έργα με γραφένιο και άλλα υλικά, αλλά συνέχισαν επίσης να ξεκλειδώνουν περαιτέρω μυστικά των TMD μαζί.

Στο Cornell, ο Mak έμαθε την τέχνη των μετρήσεων μεταφοράς ηλεκτρονίων - τον άλλο κύριο τρόπο να μαντεύει την κίνηση των ηλεκτρονίων, εκτός από την οπτική. Αυτή η τεχνογνωσία έκανε αυτόν και τον Shan διπλή απειλή σε έναν τομέα όπου οι ερευνητές συνήθως ειδικεύονται στον ένα ή τον άλλο τύπο. «Όποτε συναντώ τη Φάι και τον Τζι παραπονιέμαι:«Είναι άδικο να κάνετε μεταφορές», είπε η Κιμ. "Τι πρέπει να κάνω;"

Όσο περισσότερο το δίδυμο μάθαινε για τα TMD, τόσο πιο ενδιαφέρον γινόταν. Οι ερευνητές εστιάζουν συνήθως σε μία από τις δύο ιδιότητες των ηλεκτρονίων:το φορτίο και το σπιν τους (ή την εγγενή γωνιακή ορμή). Ο έλεγχος της ροής του ηλεκτρικού φορτίου είναι το θεμέλιο της σύγχρονης ηλεκτρονικής. Και η αναστροφή του σπιν των ηλεκτρονίων θα μπορούσε να οδηγήσει σε συσκευές «σπιντρονικής» που συσκευάζουν περισσότερες πληροφορίες σε μικρότερους χώρους. Το 2014, ο Μακ βοήθησε να ανακαλύψει ότι τα ηλεκτρόνια στο δισδιάστατο δισουλφίδιο της μολίας μπορούν να αποκτήσουν μια ειδική, τρίτη ιδιότητα:Αυτά τα ηλεκτρόνια πρέπει να κινούνται με συγκεκριμένες ποσότητες ορμής, ένα ελεγχόμενο χαρακτηριστικό γνωστό ως "κοιλάδα" που οι ερευνητές εικάζουν ότι μπορεί να δημιουργήσει ακόμη ένα τρίτο πεδίο "valleytronics". ” τεχνολογία.

Την ίδια χρονιά, ο Mak και ο Shan εντόπισαν ένα άλλο εντυπωσιακό χαρακτηριστικό των TMD. Τα ηλεκτρόνια δεν είναι οι μόνες οντότητες που κινούνται μέσα από έναν κρύσταλλο. Οι φυσικοί παρακολουθούν επίσης «τρύπες», τις κενές θέσεις που δημιουργούνται όταν τα ηλεκτρόνια πηδούν αλλού. Αυτές οι τρύπες μπορούν να περιπλανηθούν σε ένα υλικό όπως τα πραγματικά θετικά φορτισμένα σωματίδια. Η θετική οπή έλκει ένα αρνητικό ηλεκτρόνιο για να σχηματίσει μια φευγαλέα συνεργασία, γνωστή ως εξίτον, τη στιγμή πριν το ηλεκτρόνιο κλείσει την οπή. Οι Shan και Mak μέτρησαν την έλξη μεταξύ ηλεκτρονίων και οπών στο 2D diselenide βολφραμίου και το βρήκαν εκατοντάδες φορές ισχυρότερο από ό,τι σε έναν τυπικό 3D ημιαγωγό. Το εύρημα άφησε να εννοηθεί ότι τα εξιτόνια στα TMD θα μπορούσαν να είναι ιδιαίτερα ισχυρά και ότι γενικά τα ηλεκτρόνια ήταν πιο πιθανό να κάνουν κάθε είδους παράξενα πράγματα.

Το ζευγάρι εξασφάλισε μαζί θέσεις στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνια και ξεκίνησε ένα εργαστήριο εκεί. Τελικά πεπεισμένοι ότι τα TMD άξιζε να στοιχηματίσουν την καριέρα τους, έκαναν τα υλικά στο επίκεντρο της νέας τους ομάδας. Παντρεύτηκαν επίσης.

Εν τω μεταξύ, η ομάδα του Hone στην Κολούμπια είδε τις ιδιότητες του γραφενίου να γίνονται ακόμη πιο ακραίες όταν το τοποθέτησαν πάνω από έναν υψηλής ποιότητας μονωτή, το νιτρίδιο του βορίου. Ήταν ένα πρώιμο παράδειγμα μιας από τις πιο καινοτόμες πτυχές των υλικών 2D:τη στοίβαξή τους.

Βάλτε ένα υλικό 2D πάνω στο άλλο και τα στρώματα θα απέχουν ένα κλάσμα νανομέτρου μεταξύ τους - χωρίς καμία απόσταση από την οπτική γωνία των ηλεκτρονίων τους. Ως αποτέλεσμα, τα στοιβαγμένα φύλλα συγχωνεύονται αποτελεσματικά σε μια ουσία. «Δεν είναι μόνο δύο υλικά μαζί», είπε ο Wang. "Δημιουργείτε πραγματικά ένα νέο υλικό."

Ενώ το γραφένιο αποτελείται αποκλειστικά από άτομα άνθρακα, η ποικιλόμορφη οικογένεια δικτυωμάτων TMD φέρνει δεκάδες πρόσθετα στοιχεία στο παιχνίδι στοίβαξης. Κάθε TMD έχει τις δικές του εγγενείς ικανότητες. Μερικά είναι μαγνητικά. άλλοι υπεραγωγοί. Οι ερευνητές ανυπομονούσαν να τα συνδυάσουν και να τα ταιριάξουν με υλικά μόδας με τις συνδυασμένες δυνάμεις τους.

Αλλά όταν η ομάδα του Hone τοποθέτησε δισουλφίδιο μολυβδίου σε έναν μονωτήρα, οι ιδιότητες της στοίβας έδειξαν ασήμαντα κέρδη σε σύγκριση με αυτά που είχαν δει στο γραφένιο. Τελικά συνειδητοποίησαν ότι δεν είχαν ελέγξει την ποιότητα των κρυστάλλων TMD. Όταν έβαλαν μερικούς συναδέλφους να κολλήσουν το δισουλφίδιο του μολυβίου τους κάτω από ένα μικροσκόπιο ικανό να αναλύει μεμονωμένα άτομα, έμειναν έκπληκτοι. Μερικά άτομα κάθονταν σε λάθος μέρος, ενώ άλλα είχαν εξαφανιστεί εντελώς. Έως και 1 στις 100 θέσεις πλέγματος είχε κάποιο πρόβλημα, εμποδίζοντας την ικανότητα του πλέγματος να κατευθύνει ηλεκτρόνια. Το γραφένιο, σε σύγκριση, ήταν η εικόνα της τελειότητας, με περίπου ένα ελάττωμα ανά εκατομμύριο άτομα. «Επιτέλους συνειδητοποιήσαμε ότι τα πράγματα που αγοράζαμε ήταν σκουπίδια», είπε ο Χόουν.

Γύρω στο 2016, αποφάσισε να ασχοληθεί με την ανάπτυξη των TMD ερευνητικού επιπέδου. Προσέλαβε έναν μεταδιδακτορικό, τον Daniel Rhodes, με εμπειρία στην καλλιέργεια κρυστάλλων λιώνοντας σκόνες πρώτων υλών σε εξαιρετικά υψηλές θερμοκρασίες και στη συνέχεια ψύχοντάς τους με παγετώδη ρυθμό. «Είναι σαν να καλλιεργείς ζαχαρωτά από ζάχαρη σε νερό», εξήγησε ο Χόουν. Η νέα διαδικασία κράτησε ένα μήνα, σε σύγκριση με λίγες ημέρες για τις εμπορικές μεθόδους. Ωστόσο, παρήγαγε κρυστάλλους TMD εκατοντάδες έως χιλιάδες φορές καλύτερους από αυτούς που πωλούνται σε χημικούς καταλόγους.

Προτού ο Shan και ο Mak προλάβουν να επωφεληθούν από τους ολοένα και πιο παρθένους κρυστάλλους του Hone, αντιμετώπισαν το απίθανο έργο να βρουν πώς να δουλέψουν με μικροσκοπικές νιφάδες που δεν τους αρέσει να δέχονται ηλεκτρόνια. Για την άντληση ηλεκτρονίων (η βάση της τεχνικής μεταφοράς που είχε πάρει ο Mak ως μεταδιδακτορικός), το ζευγάρι είχε εμμονή με αμέτρητες λεπτομέρειες:ποιον τύπο μετάλλου να χρησιμοποιήσει για το ηλεκτρόδιο, πόσο μακριά από το TMD να το τοποθετήσει, ακόμα και ποιες χημικές ουσίες να χρησιμοποιήστε για τον καθαρισμό των επαφών. Η δοκιμή των ατελείωτων τρόπων εγκατάστασης ηλεκτροδίων ήταν αργή και επίπονη — «μια χρονοβόρα διαδικασία για να τελειοποιήσεις αυτό ή να τελειοποιήσεις λίγο-λίγο», είπε ο Mak.

Πέρασαν επίσης χρόνια για να ανακαλύψουν πώς να σηκώσουν και να στοιβάσουν τις μικροσκοπικές νιφάδες, οι οποίες έχουν διάμετρο μόλις δέκατα εκατομμυριοστά του μέτρου. Με αυτή την ικανότητα, καθώς και τους κρυστάλλους του Hone και τις βελτιωμένες ηλεκτρικές επαφές, όλα συνήλθαν το 2018. Το ζευγάρι μετακόμισε στην Ιθάκη της Νέας Υόρκης για να πάρει νέες θέσεις στο Cornell και ένας καταρράκτης πρωτοποριακών αποτελεσμάτων βγήκε από το εργαστήριό του.

Βελτίωση στο Cornell

«Σήμερα, τα πάντα είναι δύσκολο να τα μαζέψεις για κάποιο λόγο», είπε ο Zhengchao Xia, ένας μεταπτυχιακός φοιτητής στην ομάδα των Mak and Shan, καθώς η σκοτεινή σιλουέτα μιας νιτρίδας βορίου απειλούσε να αποκολληθεί και να πέσει πίσω στην επιφάνεια του πυριτίου από κάτω. Το φύλλο σε σχήμα Μαδαγασκάρης προσκολλήθηκε αδύναμα σε ένα κομμάτι γραφίτη που έμοιαζε με τη Σαουδική Αραβία, όπως το χαρτί θα μπορούσε να κολλήσει στην επιφάνεια που τσακίζει ένα πρόσφατα τριμμένο μπαλόνι. Ο γραφίτης, με τη σειρά του, ήταν κολλημένος σε μια σταγόνα δροσοσταλίδας από πλαστικό κολλημένο σε μια γυάλινη τσουλήθρα. Η Xia χρησιμοποίησε μια διεπαφή υπολογιστή για να κατευθύνει μια μηχανοκίνητη βάση που κρατούσε τη διαφάνεια. Όπως ένας παίκτης στο arcade θα μπορούσε να κάνει ελιγμούς με ένα μηχάνημα με νύχια με ένα joystick, σήκωσε τη στοίβα στον αέρα με ρυθμό ένα πέμπτο του εκατομμυριοστού του μέτρου ανά κλικ του ποντικιού, κοιτάζοντας επίμονα την οθόνη του υπολογιστή για να δει αν είχε έπιασε με επιτυχία τη νιτρίδα του βορίου.

Αυτή είχε. Με μερικά ακόμη κλικ, η στοίβα δύο στρώσεων απελευθερώθηκε και η Xia κινήθηκε γρήγορα αλλά σκόπιμα για να εναποθέσει τις νιφάδες σε ένα τρίτο υλικό ενσωματωμένο με εκτεταμένα μεταλλικά ηλεκτρόδια. Με μερικά ακόμη κλικ ζέστανε την επιφάνεια, λιώνοντας την πλαστική κόλλα της αντικειμενοφόρου πλάκας προτού κάποιος από εμάς μπορέσει να φτερνιστεί μακριά τη μικροσκοπική συσκευή.

«Πάντα έχω αυτόν τον εφιάλτη ότι απλώς εξαφανίζεται», είπε.

Από την αρχή μέχρι το τέλος, η Xia χρειάστηκε περισσότερο από μία ώρα για να συναρμολογήσει το κάτω μισό μιας απλής συσκευής - το ισοδύναμο ενός PB&J με ανοιχτό πρόσωπο. Μου έδειξε μια άλλη στοίβα που είχε φτιάξει πρόσφατα και κροτάλισε μερικά από τα συστατικά, τα οποία περιελάμβαναν το TMD diselenide βολφραμίου και moly ditelluride. Ένα από τα δεκάδες μικροσκοπικά σάντουιτς που έχει κατασκευάσει και μελετήσει τον τελευταίο χρόνο, αυτό το Dagwood μιας συσκευής είχε 10 επιβλητικά στρώματα και χρειάστηκε αρκετές ώρες για να συναρμολογηθεί.

Αυτή η στοίβαξη δισδιάστατων υλικών, η οποία γίνεται επίσης σε εργαστήρια στην Κολούμπια, στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης, στο Μπέρκλεϋ, στο Χάρβαρντ και σε άλλα ιδρύματα, αντιπροσωπεύει την πραγματοποίηση ενός μακροχρόνιου ονείρου των φυσικών της συμπυκνωμένης ύλης. Οι ερευνητές δεν περιορίζονται πλέον σε υλικά που βρίσκονται στο έδαφος ή αναπτύσσονται αργά σε εργαστήριο. Τώρα μπορούν να παίξουν με το ατομικό ισοδύναμο των τούβλων Lego, κουμπώνοντας μεταξύ τους φύλλα για να χτίσουν κατά παραγγελία κατασκευές με τις επιθυμητές ιδιότητες. Όσον αφορά τη συναρμολόγηση δομών TMD, λίγοι έχουν φτάσει τόσο μακριά όσο ο όμιλος Cornell.

Η πρώτη σημαντική ανακάλυψη των Mak και Shan στο Cornell αφορούσε τα εξιτόνια, τα έντονα συνδεδεμένα ζεύγη ηλεκτρονίων-οπών που είχαν δει στα TMD το 2014. Τα Excitons ιντριγκάρουν τους φυσικούς επειδή αυτά τα «οιονεί σωματίδια» μπορεί να προσφέρουν έναν κυκλικό τρόπο για να επιτευχθεί ένας διαχρονικός στόχος της φυσικής συμπυκνωμένης ύλης:υπεραγωγιμότητα σε θερμοκρασία δωματίου.

Τα εξιτόνια παίζουν με τους ίδιους funky κανόνες όπως τα ζεύγη ηλεκτρονίων-ηλεκτρονίων. Αυτά τα ζεύγη ηλεκτρονίων-οπών, επίσης, γίνονται μποζόνια, γεγονός που τους επιτρέπει να «συμπυκνωθούν» σε μια κοινή κβαντική κατάσταση γνωστή ως συμπύκνωμα Bose-Einstein. Αυτή η συνεκτική ορδή οιονεί σωματιδίων μπορεί να εμφανίσει κβαντικά χαρακτηριστικά όπως η υπερρευστότητα, η ικανότητα να ρέει χωρίς αντίσταση. (Όταν ένα υπερρευστό μεταφέρει ηλεκτρικό ρεύμα, υπεραγωγεί.)

Αλλά σε αντίθεση με τα απωθητικά ηλεκτρόνια, τα ηλεκτρόνια και οι τρύπες αγαπούν να συζευχθούν. Οι ερευνητές λένε ότι αυτό δυνητικά κάνει την κόλλα τους πιο δυνατή. Οι προκλήσεις για την υπεραγωγιμότητα που βασίζεται σε εξιτόνια έγκεινται στο να μην γεμίσει το ηλεκτρόνιο την οπή και να κάνει τα ηλεκτρικά ουδέτερα ζεύγη να ρέουν σε ρεύμα — όλα σε όσο το δυνατόν πιο ζεστό δωμάτιο. Μέχρι στιγμής, ο Mak και η Shan έχουν λύσει το πρώτο πρόβλημα και έχουν ένα σχέδιο να αντιμετωπίσουν το δεύτερο.

Τα σύννεφα ατόμων μπορούν να παρασυρθούν για να σχηματίσουν συμπυκνώματα ψύχοντάς τα σε τρίχα πάνω από το απόλυτο μηδέν με ισχυρά λέιζερ. Αλλά οι θεωρητικοί υποψιάζονταν από καιρό ότι θα μπορούσαν να σχηματιστούν συμπυκνώματα εξιτονίων σε υψηλότερες θερμοκρασίες. Ο όμιλος Cornell έκανε αυτή την ιδέα πραγματικότητα με τα στοιβαζόμενα TMD. Χρησιμοποιώντας ένα σάντουιτς δύο στρωμάτων, έβαλαν επιπλέον ηλεκτρόνια στο επάνω στρώμα και αφαίρεσαν ηλεκτρόνια από το κάτω μέρος, αφήνοντας τρύπες. Τα ηλεκτρόνια και οι τρύπες συζεύχθηκαν, δημιουργώντας εξιτόνια που έχουν μεγάλη διάρκεια ζωής, επειδή τα ηλεκτρόνια δυσκολεύονται να πηδήξουν στο αντίθετο στρώμα για να εξουδετερώσουν τους συντρόφους τους. Τον Οκτώβριο του 2019, η ομάδα ανέφερε σημάδια συμπυκνώματος εξιτονίου σε γλυκά 100 Κέλβιν. Σε αυτή τη διάταξη, τα εξιτόνια παρέμειναν για δεκάδες νανοδευτερόλεπτα, μια ζωή για αυτόν τον τύπο οιονείσωματιδίου. Το φθινόπωρο του 2021, η ομάδα περιέγραψε μια βελτιωμένη συσκευή όπου τα εξιτόν φαίνεται να διαρκούν για χιλιοστά του δευτερολέπτου, την οποία ο Mak ονόμασε «πρακτικά για πάντα».

Η ομάδα επιδιώκει τώρα ένα σχέδιο που επινοήθηκε από θεωρητικούς το 2008 για τη δημιουργία ενός ρεύματος εξιτονίου. Ο Allan MacDonald, ένας εξέχων θεωρητικός της συμπυκνωμένης ύλης στο Πανεπιστήμιο του Τέξας, στο Όστιν, και ο μεταπτυχιακός φοιτητής του Jung-Jung Su πρότειναν να ρέουν ουδέτερα εξιόνια εφαρμόζοντας ένα ηλεκτρικό πεδίο προσανατολισμένο με τρόπο που ενθαρρύνει τόσο τα ηλεκτρόνια όσο και τις τρύπες να κινούνται προς την ίδια κατεύθυνση. . Για να το πετύχει στο εργαστήριο, η ομάδα Cornell πρέπει για άλλη μια φορά να αντιμετωπίσει τον αιώνιο εχθρό τους, τις ηλεκτρικές επαφές. Σε αυτήν την περίπτωση, πρέπει να συνδέσουν πολλαπλά σετ ηλεκτροδίων στα στρώματα TMD, μερικά για την κατασκευή των εξιτονίων και άλλα για τη μετακίνησή τους.

Ο Shan και ο Mak πιστεύουν ότι βρίσκονται σε καλό δρόμο για να φέρουν εξιτόν σε ροή έως και 100 Kelvin σύντομα. Αυτό είναι ένα παγωμένο δωμάτιο για ένα άτομο (−173 βαθμοί Κελσίου ή −280 βαθμοί Φαρενάιτ), αλλά είναι ένα τεράστιο άλμα από τις συνθήκες νανοκέλβιν που χρειάζονται τα περισσότερα μποσονικά συμπυκνώματα.

«Αυτό θα είναι από μόνο του ένα ωραίο επίτευγμα», είπε ο Μακ με ένα πονηρό χαμόγελο, «για να ζεσταθεί η θερμοκρασία κατά ένα δισεκατομμύριο φορές».

Magical Moiré Materials

Το 2018, ενώ το εργαστήριο Cornell ενίσχυσε τα πειράματά του στο TMD, μια άλλη έκπληξη από γραφένιο ξεκίνησε μια δεύτερη επανάσταση 2D υλικών. Ο Pablo Jarillo-Herrero, ερευνητής στο MIT και ένα άλλο alum της Columbia, ανακοίνωσε ότι η συστροφή ενός στρώματος γραφενίου σε σχέση με το στρώμα από κάτω δημιούργησε ένα μαγικό νέο 2D υλικό. Το μυστικό ήταν να πέσει το ανώτερο στρώμα έτσι ώστε τα εξάγωνά του να προσγειωθούν με μια ελαφριά «στρέψη», έτσι ώστε να περιστρέφονται ακριβώς 1,1 μοίρες έναντι των εξαγώνων από κάτω. Αυτή η κακή ευθυγράμμιση γωνίας προκαλεί μια μετατόπιση μεταξύ των ατόμων που μεγαλώνει και συρρικνώνεται καθώς μετακινείστε σε ένα υλικό, δημιουργώντας ένα επαναλαμβανόμενο μοτίβο μεγάλων «υπερκυττάρων» που είναι γνωστό ως υπερπλέγμα moiré. Ο MacDonald και ένας συνάδελφός του είχαν υπολογίσει το 2011 ότι στη «μαγική γωνία» των 1,1 μοιρών, η μοναδική κρυσταλλική δομή του υπερπλέγματος θα ανάγκαζε τα ηλεκτρόνια του γραφενίου να επιβραδύνουν και να αισθανθούν την απώθηση των γειτόνων τους.

When electrons become aware of each other, weird things happen. In normal insulators, conductors and semiconductors, electrons are thought to interact only with the lattice of atoms; they race around too quickly to notice each other. But slowed to a crawl, electrons can jostle each other and collectively assume an assortment of exotic quantum states. Jarillo-Herrero’s experiments demonstrated that, for poorly understood reasons, this electron-to-electron communication in twisted, magic-angle graphene gives rise to an especially strong form of superconductivity.

The graphene moiré superlattice also introduced researchers to a radical new way of controlling electrons. In the superlattice, electrons become oblivious to the individual atoms and experience the supercells themselves as if they were giant atoms. This makes it easy to populate the supercells with enough electrons to form collective quantum states. Using an electric field to dial up or down the average number of electrons per supercell, Jarillo-Herrero’s group was able to make their twisted bilayer graphene device serve as a superconductor, act as an insulator, or display a raft of other, stranger electron behaviors.

Physicists around the world rushed into the nascent field of “twistronics.” But many have found that twisting is tough. Atoms have no reason to fall neatly into the “magic” 1.1-degree misalignment, so sheets wrinkle in ways that completely change their properties. Xia, the Cornell graduate student, said she has a bunch of friends at other universities working with twisted devices. Creating a working device typically takes them dozens of tries. And even then, each device behaves differently, so specific experiments are almost impossible to repeat.

TMDs present a far easier way to create moiré superlattices. Because different TMDs have hexagonal lattices of different sizes, stacking a lattice of slightly larger hexagons over a smaller lattice creates a moiré pattern just the way angle misalignment does. In this case, because there is no rotation between the layers, the stack is more likely to snap into place and stay still. When Xia sets out to create a TMD moiré device, she said, she generally succeeds four times out of five.

TMD moiré materials make ideal playgrounds for exploring electron interactions. Because the materials are semiconductors, their electrons get heavy as they slog through the materials, unlike the frenetic electrons in graphene. And the gigantic moiré cells slow them down further:Whereas electrons often move between atoms by “tunneling,” a quantum mechanical behavior akin to teleportation, tunneling rarely happens in a moiré lattice, since supercells sit roughly 100 times further apart than the atoms inside them. The distance helps the electrons settle down and gives them a chance to know their neighbors.

Shan and Mak’s friendly rival, Feng Wang, was one of the first to recognize the potential of TMD moiré superlattices. Back-of-the-envelope calculations suggested that these materials should give rise to one of the simplest ways electrons can organize — a state known as a Wigner crystal, where mutual repulsion locks lethargic electrons into place. Wang’s team saw signs of such states in 2020 and published the first image of electrons holding each other at arm’s length in Nature in 2021. By then, word of Wang’s TMD moiré activities had already spread through the tightknit 2D physics community, and the Cornell TMD factory was churning out TMD moiré devices of their own. Shan and Mak also reported evidence for Wigner crystals in TMD superlattices in 2020 and discovered within months that electrons in their devices could crystallize in almost two dozen different Wigner crystal patterns.

At the same time, the Cornell group was also crafting TMD moiré materials into a power tool. MacDonald and collaborators had predicted in 2018 that these devices have the right combination of technical features to make them perfectly represent one of the most important toy models in condensed matter physics. The Hubbard model, as it’s called, is a theorized system used to understand a wide variety of electron behaviors. Independently proposed by Martin Gutzwiller, Junjiro Kanamori and John Hubbard in 1963, the model is physicists’ best attempt to strip the practically infinite variety of crystalline lattices down to their most essential features. Picture a grid of atoms hosting electrons. The Hubbard model assumes that each electron feels two competing forces:It wants to move by tunneling to neighboring atoms, but it’s also repulsed by its neighbors, which makes it want to stay where it is. Different behaviors arise depending on which desire is strongest. The only problem with the Hubbard model is that in all but the simplest case — a 1D string of atoms — it is mathematically unsolvable.

According to MacDonald and colleagues, TMD moiré materials could act as “simulators” of the Hubbard model, potentially solving some of the field’s deepest mysteries, such as the nature of the glue that binds electrons into superconducting pairs in cuprates. Instead of struggling with an impossible equation, researchers could set electrons loose in a TMD sandwich and see what they did. “We can write down this model, but it’s very difficult to answer lots of important questions,” MacDonald said. “Now we can do it just by doing an experiment. That’s really groundbreaking.”

To build their Hubbard model simulator, Shan and Mak stacked layers of tungsten diselenide and tungsten sulfide to create a moiré superlattice, and they attached electrodes to dial up or down an electric field passing through the TMD sandwich. The electric field controlled how many electrons would fill each supercell. Since the cells act like giant atoms, going from one electron to two electrons per supercell was like transforming a lattice of hydrogen atoms into a lattice of helium atoms. In their initial Hubbard model publication in Nature in March 2020, they reported simulating atoms with up to two electrons; today, they can go up to eight. In some sense, they had realized the ancient aim of turning lead into gold. “It’s like tuning chemistry,” Mak said, “going through the periodic table.” In principle, they can even conjure up a grid of fictitious atoms with, say, 1.38 electrons each.

Next, the group looked to the hearts of the artificial atoms. With more electrodes, they could control the supercells’ “potential” by making changes akin to adding positive protons to the centers of the giant synthetic atoms. The more charge a nucleus has, the harder it is for electrons to tunnel away, so this electric field let them raise and lower the hopping tendency.

Mak and Shan’s control of the giant atoms — and therefore the Hubbard model — was complete. The TMD moiré system lets them summon a grid of ersatz atoms, even ones that don’t exist in nature, and smoothly transform them as they wish. It’s a power that, even to other researchers in the field, borders on magical. “If I were to single out their most exciting and impressive effort, that’s the one,” Kim said.

The Cornell group quickly used their designer atoms to settle a 70-year-old debate. The question was:What if you could take an insulator and tweak its atoms to turn it into a conducting metal? Would the changeover happen gradually or abruptly?

With their moiré alchemy, Shan and Mak carried out the thought experiment in their lab. First they simulated heavy atoms, which trapped electrons so that the TMD superlattice acted like an insulator. Then they shrank the atoms, weakening the trap until electrons became able to hop to freedom, letting the superlattice become a conducting metal. By observing a gradually falling electrical resistance as the superlattice acted increasingly like a metal, they showed that the transition is not abrupt. This finding, which they announced in Nature last year, opens up the possibility that the superlattice’s electrons may be able to achieve a long-sought type of fluidity known as a quantum spin liquid. “That may be the most interesting problem one can tackle,” Mak said.

Almost at the same time, the couple lucked into what some physicists consider their most significant discovery yet. “It was actually a total accident,” Mak said. “Nobody expected it.”

When they started their Hubbard simulator research, the researchers used TMD sandwiches in which the hexagons on the two layers are aligned, with transition metals atop transition metals and chalcogenides atop chalcogenides. (That’s when they discovered the gradual insulator-to-metal transition.) Then, serendipitously, they happened to repeat the experiment with devices in which the top layer had been stacked backward.

As before, the resistance started falling as electrons began to hop. But then it plunged abruptly, going so low that the researchers wondered if the moiré had begun to superconduct. Exploring further, though, they measured a rare pattern of resistance known as the quantum anomalous Hall effect — proof that something even weirder was going on. The effect indicated that the crystal structure of the device was compelling electrons along the edge of the material to act differently from those in the center. In the middle of the device, electrons were trapped in an insulating state. But around the perimeter, they flowed in one direction — explaining the super-low resistance. By accident, the researchers had created an extremely unusual and fragile type of matter known as a Chern insulator.

The quantum anomalous hall effect, first observed in 2013, usually falls apart if the temperature rises above a few hundredths of a kelvin. In 2019, Young’s group in Santa Barbara had seen it in a one-off twisted graphene sandwich at around 5 kelvins. Now Shan and Mak had achieved the effect at nearly the same temperature, but in a no-twist TMD device that anyone can re-create. “Ours was a higher temperature, but I’ll take theirs any day because they can do it 10 times in a row,” Young said. That means you can understand it “and use it to actually do something.”

Mak and Shan believe that, with some fiddling, they can use TMD moiré materials to build Chern insulators that survive to 50 or 100 kelvin. If they’re successful, the work could lead to another way to get current flowing with no resistance — at least for tiny “nanowires,” which they may even be able to switch on and off at specific places within a device.

Exploration in Flatland

Even as the landmark results pile up, the couple shows no signs of slowing down. On the day I visited, Mak looked on as students tinkered with a towering dilution refrigerator that would let them chill their devices to temperatures a thousand times colder than what they’ve worked with so far. There’s been so much physics to discover at “warmer” conditions that the group hasn’t had a chance to thoroughly search the deeper cryogenic realm for signs of superconductivity. If the super fridge lets the TMDs superconduct, that will answer yet another question, showing that a form of magnetism intrinsic to cuprates (but absent from TMDs) is not an essential ingredient of the electron-binding glue. “That’s like killing one of the important components that theorists really wanted to kill for a long time,” Mak said.

He and Shan and their group haven’t even begun to experiment with some of the funkier TMDs. After spending years inventing the equipment needed to move around the continent of 2D materials, they’re finally gearing up to venture beyond the moly disulfide beachhead they landed on back in 2010.

The two researchers attribute their success to a culture of cooperation that they absorbed at Columbia. The initial collaboration with Hone that introduced them to moly disulfide, they say, was just one of the many opportunities they enjoyed because they were free to follow their curiosity. “We didn’t have to discuss” their plans with Heinz, the head of their lab, Shan said. “We talked to people from other groups. We did the experiments. We even wrapped things up.”

Today they foster a similarly relaxed environment at Cornell, where they oversee a couple dozen postdocs, visiting researchers and students, all of whom are largely free to do their own thing. “Students are very smart and have good ideas,” Mak said. “Sometimes you don’t want to interfere.”

Their marriage also makes their lab unique. The two have learned to lean into their personal strengths. Besides an abundance of creativity as an experimentalist, Shan possesses a careful discipline that makes her a good manager; as the three of us talked, she frequently nudged “Professor Fai” back on track when his enthusiasm for physics pushed him too deep into technicalities. Mak, for his part, enjoys toiling alongside the early-career researchers, both inside and outside the lab. He recently started rock climbing with the group. “It seems like their lab is their family,” said Young. Shan and Mak told me they achieve more together than they could alone. “One plus one is more than two,” Mak said.

The devices they’re building may also stack up to be more than the sum of their parts. As researchers join TMD sheets together to create excitons and moiré superlattices, they speculate about how the new ways of domesticating electrons might supercharge technology. Even if pocket-ready superconductivity remains elusive, Bose-Einstein condensates could lead to ultra-sensitive quantum sensors, and better control of Chern-like insulators could enable powerful quantum computers. And those are just the obvious ideas. Incremental improvements in materials science often add up to radical applications few saw coming. The researchers who developed the transistor, for instance, would have struggled to predict smartphones powered by billions of microscopic switches stuffed into a chip the size of a fingernail. And the scientists who endeavored to fashion glass fibers that could carry light across their lab bench could not have foreseen that 10,000-kilometer undersea optical fibers would someday link continents. Two-dimensional materials may evolve in similarly unpredictable directions. “A really new materials platform generates its own applications as opposed to displacing existing materials,” said Heinz.

While driving me to the Ithaca bus stop, Shan and Mak told me about a recent (and rare) vacation they took to Banff, Canada, where they once again displayed their knack for stumbling onto surprises through a blend of effort and luck. They had spent days trying — in vain — to spot a bear. Then, at the end of the trip, on their way to the airport, they stopped to stretch their legs at a botanical reserve and found themselves face to face with a black bear.

Similarly, with condensed matter physics, their approach is to wander around together in a new landscape and see what shows up. “We don’t have much theoretical guidance, but we just fool around and play with experiments,” Mak said. “It can fail, but sometimes you can bump into something very unexpected.”

Corrections:August 17, 2022
An earlier version of this article misstated the full name of the university where Kin Fai Mak did undergraduate research, as well as the current title of Andrea Young.