モリブデナイトは、訓練された目でもグラファイトとほとんど同じに見えます - 光沢のある銀色の結晶です.それも同様に機能し、フレークを脱落させて、鉛筆の塗りつぶしを良好にします.しかし、電子にとっては、原子の 2 つのグリッドが異なる世界を形成します。この区別は、244 年前に初めて科学的記録に記録されました。酸素の発見で有名なスウェーデンの化学者であるカール シェーレは、各鉱物をさまざまな酸に浸し、渦巻く不気味なガスの雲を見ました。重金属中毒の疑いで 43 歳で亡くなった Scheele は、最終的に命をかけてこのアプローチの代償を払い、モリブデナイトは新しい物質であると結論付けました。 1778 年にスウェーデン王立科学アカデミーに宛てた手紙の中で、彼は次のように書いています。この遷移金属は未知のようです。」
モリブデナイトは、粉状の破片にフレーク状になる傾向があるため、20 世紀に人気の潤滑剤になりました。これにより、スキーが雪の中をより遠くまで滑り、ベトナムのライフル銃身からの弾丸の排出がスムーズになりました。
今日、同じ薄片性が物理学の革命を促進しています。
ブレークスルーは、グラファイトとスコッチ テープから始まりました。研究者は 2004 年に偶然にも、テープを使用して原子 1 個分の厚さのグラファイトのフレークを剥がすことができることを発見しました。それぞれが炭素原子の平らな配列であるこれらの結晶シートは、それらが由来する三次元結晶のものとは根本的に異なる驚くべき特性を持っていました.グラフェン (発見者がそう呼んでいた) は、まったく新しいカテゴリーの物質、つまり 2D 素材でした。その発見は、物質の多くの形態と挙動を理解しようとする物理学の分野である凝縮物質物理学を変革しました。すべての物理学者のほぼ半数が物性物理学者です。それは、コンピューター チップ、レーザー、LED 電球、MRI 装置、ソーラー パネル、およびあらゆる種類の現代の技術的驚異をもたらしたサブフィールドです。グラフェンの発見後、何千人もの凝縮系物理学者がこの新素材の研究を開始し、それが将来の技術の土台となることを望んでいました.
グラフェンの発見者は 2010 年にノーベル物理学賞を受賞しました。同年、コロンビア大学の 2 人の若い物理学者、Jie Shan と Kin Fai Mak は、モリブデナイトのフレークがグラフェンよりも魔法のようなものである可能性があることを発見しました。あまり知られていないこの鉱物は、研究を困難にする特性を持っています — 多くの研究室にとって難しすぎる — しかし、シャンとマックはその鉱物に魅了されました。粘り強いデュオは、ほぼ 10 年間、2D モリブデナイト (ラボで成長させたバージョンの結晶を二硫化モリブデンと呼びます) と、密接に関連する 2D 結晶のファミリーの研究に専念しました。
今、彼らの努力は報われています。現在結婚しており、コーネル大学で共同研究グループを運営しているシャンとマックは、二硫化モリブデンとその親戚の 2D 結晶が非常に多様なエキゾチックな量子現象を引き起こす可能性があることを示しました。コーネル研究所に高品質の結晶を供給しているコロンビア大学の研究者であるジェームス・ホーンは、「それはクレイジーな遊び場です。 「現代の凝縮物質物理学のすべてを 1 つの材料系で行うことができます。」
Shan と Mak のグループは、これらの平らな結晶で前例のない方法で振る舞う電子を捉えました。彼らは、粒子が量子流体に融合し、凍結してさまざまな氷のような構造になるように誘導しました。彼らは巨大な人工原子のグリッドを組み立てることを学び、現在では物質の基本理論のテストベッドとして機能しています。 2018 年にコーネル研究所を開設して以来、マスター電子調教師は、Nature で目を見張るような 8 つの論文を発表しました。 、科学で最も権威のあるジャーナル、およびその他の多数の論文。理論家たちは、この夫婦が電子の群れができることの理解を広げていると言っています.
彼らの研究は「多くの面で非常に印象的です」と、ハーバード大学の著名な凝縮物質物理学者であるフィリップ・キムは述べています。 「センセーショナルだと思います。」
2D マテリアルの台頭
物質の属性は、通常、その電子が行っていることを反映しています。たとえば、金属などの導体では、電子が原子間を容易に移動し、電気を運びます。木材やガラスのような絶縁体では、電子はそのままです。シリコンのような半導体はその中間に位置します。それらの電子は、エネルギーの流入によって強制的に移動できるため、トランジスタの仕事である電流のオンとオフを切り替えるのに理想的です。過去 50 年間、これら 3 つの基本的な電子の振る舞いに加えて、凝縮物質の物理学者は軽量の荷電粒子がより多くの風変わりな振る舞いをするのを見てきました。
より劇的な驚きの 1 つは、1986 年に IBM の 2 人の研究者、Georg Bednorz と Alex Müller が、何の抵抗もなく酸化銅 (「銅酸塩」) 結晶を移動する電子の流れを検出したときに起こりました。この超伝導 - 電気が完全な効率で流れる能力 - は以前に見られましたが、絶対零度の数度以内に冷却された材料で十分に理解された理由のためだけでした.今回、Bednorz と Müller は、記録破りの 35 ケルビン (つまり、絶対零度より 35 度高い温度) で持続する不思議な形の現象を観察しました。科学者たちはすぐに、100 ケルビン以上で超伝導する他の銅酸塩を発見しました。夢が生まれ、おそらく今日の物性物理学の最大の目標であり続けています。約 300 ケルビンの高温の世界で電気を超伝導できる物質を発見または設計し、電力損失のない電力線を実現し、車両やその他の超効率的なデバイスを浮上させることです。人類のエネルギー需要を大幅に削減します。
超伝導の鍵は、通常は互いに反発する電子を誘導して、ボソンとして知られる実体をペアにして形成することです。ボソンは集合的に溶けて摩擦のない量子流体になる。原子振動などのボソンを生成する引力は、通常、極低温または高圧でのみ電子の反発力に打ち勝つことができます。しかし、これらの極端な条件が必要なため、超伝導が日常のデバイスに導入されることはありませんでした。銅酸塩の発見により、適切な原子格子が電子をしっかりと「接着」して、室温でもくっついたままになるのではないかという期待が高まりました.
Bednorz と Müller の発見から 40 年経った今でも、理論家たちは、銅酸化物の接着剤がどのように機能するのか、ましてや材料を調整して強化する方法を完全には理解していません。このように、凝縮物質物理学の多くの研究は、電子対を維持したり、他の驚くべき方法で電子を導くことができる結晶を探すための試行錯誤です。 「凝縮物質は、セレンディピティを可能にする物理学の一分野です」とキムは言いました。これが 2004 年の 2D 物質の発見でした。
イギリスのマンチェスター大学でグラファイトを研究している Andre Geim と Konstantin Novoselov は、材料のフレーク状の衝撃的な結果を発見しました。グラファイト結晶には、緩やかに結合した六角形のシートに配置された炭素原子が含まれています。理論家は、スタックの安定化の影響がなければ、熱による振動が 1 層のシートを破壊するだろうと長い間予測していました。しかし、Geim と Novoselov は、スコッチ テープと粘り強さで、安定した原子レベルの薄いシートを剥がすことができることを発見しました。グラフェンは、最初の真に平らな素材でした。つまり、電子がその上を滑ることはできますが、上下に滑ることはできません。
コロンビアの物理学者であるホーンは、世界で最も薄い物質がどういうわけか最強でもあることを発見しました。理論家がまったくくっつかないと考えていた素材にとって、これは驚くべき混乱でした。
グラフェンに関して物理学者が最も興味をそそられたのは、炭素平地がどのように電子を変換したかということでした。電子はしばしば、移動する原子の格子につまずき、通常の質量よりも重い振る舞いをします (絶縁体の動かない電子は、あたかも無限の質量を持っているかのように振る舞います)。しかし、グラフェンの平坦な格子は、電子が毎秒 100 万メートルの速さで動き回ることを可能にします。これは、光速の数百分の 1 にすぎません。その一定の猛烈な速度で、電子はあたかも質量がまったくないかのように飛び、グラフェンに極端な (しかし超ではない) 伝導性を与えました。
ワンダーマテリアルの周りにフィールド全体が生まれました。研究者はまた、より広く考え始めました。他の物質の 2D フレークは、独自の超能力を秘めているでしょうか?ホーンは分岐した人々の中にいました。 2009 年、彼はグラファイトのドッペルゲンガーである二硫化モリブデンの機械的特性を測定し、その結晶をトニー ハインツのコロンビア研究所の 2 人の光学専門家に渡しました。これは、関係者全員のキャリアを変えるようなカジュアルな動きでした.
二硫化モリブデンのサンプルは、キャリア初期の客員教授である Jie Shan と大学院生の Kin Fai Mak の手に渡った。若い 2 人組は、グラフェンが光とどのように相互作用するかを研究していましたが、すでに他の材料について空想にふけり始めていました。グラフェンの素早い電子は、グラフェンを素晴らしい導体にしますが、彼らが望んでいたのは 2D 半導体でした。つまり、電子の流れをオン/オフすることができ、トランジスタとして機能できる材料です。
二硫化モリブデンは、半導体として知られていました。シャンとマックはすぐに、それがグラファイトのように 2D で追加の力を持っていることを発見しました。彼らが「二硫化モリブデン」の3D結晶にレーザーを向けたとき（愛情を込めて呼んでいるように）、結晶は暗いままでした.しかし、Shan と Mak がスコッチ テープで層をはがし、レーザーで叩き、顕微鏡で調べたところ、2D シートが明るく輝いていることがわかりました。
他のグループの研究は後に、密接に関連する材料のよくできたシートが、それらに当たる最後のすべての光子を反映することを確認します.最近、コーネル大学の共有オフィスで彼とシャンに会ったとき、「それはちょっと気が遠くなるようなことです」とマックは言いました。 「原子のシートが 1 枚あるだけで、完全な鏡のように光を 100% 反射できます。」彼らは、この特性が素晴らしい光学デバイスにつながる可能性があることに気付きました.
これとは別に、カリフォルニア大学バークレー校の物理学者である Feng Wang が同じ発見をしました。反射率の高い 2D マテリアルと起動する半導体がコミュニティの注目を集めました。どちらのグループも 2010 年に調査結果を発表しました。それ以来、論文はそれらの間で16,000以上の引用を受けています。 「レーザーを持っている人は皆、2D 素材に非常に興味を持ち始めました」と Hone 氏は言います。
二硫化モリブデンを 2 番目の 2D 不思議物質として特定することで、2 つのグループは 2D 物質の大陸全体に上陸しました。二硫化モリブデンは、遷移金属ジカルコゲナイド (TMD) として知られる物質のファミリーに属し、モリブデンなどの周期表の金属中間領域の原子が、硫黄などのカルコゲナイドとして知られる化合物のペアと結合します。二硫化モリブデンは唯一の天然の TMD ですが、二硫化タングステン、二テルル化モリブデンなど、研究者が実験室で作り上げることのできる数十の TMD があります。ほとんどの場合、製本が弱いシートが形成されるため、テープのビジネス面の影響を受けやすくなります。
しかし、最初の興奮の波はすぐに収まり、研究者は TMD に光り輝く以上の機能を持たせようと奮闘しました。 Wang のグループは、金属電極を二硫化モリブデンに簡単に取り付けることができないことを発見した後、グラフェンに頼りませんでした。 「それは、かなりの数年間、私たちのグループにとってつまずきでした」と彼は言いました。 「今でも私たちは連絡を取るのが苦手です。」グラフェンに対する TMD の主な利点は、最大の弱点でもあるように思われました。材料の電子特性を研究するために、研究者はしばしば電子を材料に押し込み、結果として生じる電流の抵抗を測定しなければなりません。しかし、半導体は伝導性が低いため、電子を出し入れするのは困難です。
マックとシャンは当初、相反する感情を抱いていました。 「グラフェンの研究を続けるべきか、それともこの新しい材料の研究を開始すべきかは、本当にはっきりしていませんでした」と、Mak 氏は言います。 「しかし、この素晴らしい特性があることがわかったので、さらにいくつかの実験を続けました。」
研究を重ねるうちに、2 人の研究者は二硫化モリブデンに魅了され、お互いに魅了されていきました。当初、彼らの連絡先は専門的なもので、主に研究に焦点を当てた電子メールに限定されていました。 「ファイはよく『あの機材はどこにあるの？どこに置いたの？」とシャンは言った。しかし、最終的に彼らの関係は、長時間にわたって培養され、実験的な成功によって触媒され、ロマンチックになりました. 「文字通り、同じ研究室で同じプロジェクトに取り組んでいたので、あまりにも頻繁にお互いに会いました」とマックは言いました。 「このプロジェクトは非常にうまく機能しており、私たちも幸せでした。」
常にすべての物理
厄介な TMD を克服するには、鉄の規律を持つ 2 人の献身的な物理学者のパートナーシップが必要です。
学者は常にシャンに簡単にやって来ました。 1970 年代に海岸沿いの浙江省で育った彼女は、数学、科学、語学に秀でた優秀な学生であり、合肥にある中国科学技術大学で誰もが欲しがる地位を獲得しました。そこで、彼女は中国とソビエト連邦の間の選択的な文化交流プログラムの資格を得て、モスクワ州立大学でロシア語と物理学を学ぶチャンスに飛びつきました。 「あなたが10代のとき、あなたは世界を探検することに熱心です」と彼女は言いました. 「躊躇しませんでした。」
すぐに、彼女は思っていたよりも多くの世界を見ました。ビザの問題でロシアへの到着が数か月遅れ、語学プログラムの席を失いました。当局は彼女に別のコースを見つけ、モスクワに着陸した直後に列車に乗り込み、東へ5,000キロ移動しました。 3日後、彼女は冬の始まりにシベリアの真ん中にあるイルクーツクの街に到着しました. 「私が得たアドバイスは、『絶対に手袋なしで何にも触らないでください』というものでした」と彼女は言いました.
シャンは手袋をはめたまま、一学期だけロシア語を学び、冬の風景の美しさに感謝するようになりました。コースが終了し、雪が溶けたとき、彼女は物理学の学位を取得するために首都に戻り、ソ連崩壊の真っ只中の 1990 年の春にモスクワに到着しました。
それらは混沌とした年でした。シャンは、共産主義者が政府の支配権を取り戻そうとする中、大学近くの通りを戦車が転がっているのを見た。別の機会に、期末試験の直後に喧嘩が勃発しました。 「銃声が聞こえ、寮の電気を消すように言われました」と彼女は言いました。食品からトイレットペーパーまで、すべてがクーポン制で配給されました。それにもかかわらず、シャンは、混乱にもかかわらず研究を続けた彼女の教授の回復力に触発されたと感じました. 「条件は厳しいものでしたが、科学者の多くはこのような態度をとっていました。何が起こっているかに関わらず、彼らは本当に自分のしていることを愛しています」と彼女は言いました.
世界秩序が崩壊したとき、シャンは、コロンビア大学でハインツの目を引いた光学理論の論文を発表し、頭角を現しました。彼は彼女に応募するように勧め、彼女はニューヨークに引っ越し、そこで他の留学生が外国に足を踏み入れるのを時折手伝いました.たとえば、彼女はハインツの研究室で働くために王を採用し、実験のヒントを共有しました. 「彼女は我慢する方法を教えてくれました」と彼は言いました。「レーザーにイライラしない方法」
ほとんどの研究者は、博士号を取得した後、ポスドクの地位に就きますが、シャンは 2001 年に准教授としてケース ウェスタン リザーブ大学に直接入社しました。数年後、サバティカルで、コロンビアのハインツの研究室に戻りました。一度だけ、彼女のタイミングは偶然でした。彼女は、ハインツのグループの魅力的で明るい目をした大学院生であるキン ファイ マックと共同作業を始めました。
マックは、ニューヨーク市への別の、それほど騒がしくない道をたどっていました。香港で育った彼は、学校で苦労しました。物理学以外はほとんど意味がありませんでした。 「私が好きで実際に得意だったのは物理学だけだったので、物理学を選びました」と彼は言いました。
香港科学技術大学での彼の学部生の研究は際立っており、ハインツは彼をコロンビア大学の活況を呈している凝縮物質物理学プログラムに参加するように勧誘しました。そこで彼は研究に没頭し、ときどき行われる学内サッカーの試合を除いて、起きている時間のほとんどを研究室で過ごしました。仲間の大学院生であるアンドレア・ヤング (現在はカリフォルニア大学サンタバーバラ校の教授) は、西 113 番街にあるアパートをマックと共有していました。 「午前2時に彼に会い、パスタを作って物理学について話すことができたのはラッキーでした。ずっと物理学でした」とヤングは言いました。
しかし、良い時期は続きませんでした。ヤングと一緒にコロンビアのアマゾンの熱帯雨林を訪れた直後、マックは病気になりました。彼の主治医は彼の不可解な検査結果をどう判断すればよいか分からず、彼の病状は悪化しました。幸運な偶然が彼の命を救った。ヤングは、医学研究者である父親に状況を説明しました。父親は、再生不良性貧血の兆候をすぐに認識しました。これは、たまたま彼自身の研究の対象となった異常な血液の状態です. 「まず第一に、この病気にかかることは実際には非常にまれです」とマックは言いました。 「そして、ルームメイトの父親が専門とする病気にかかることはさらにまれです。」
ヤングの父親は、マックが実験的治療に参加するのを手伝いました。彼は大学院の最終学年のほとんどを病院で過ごし、何度か死にかけました。試練の間中、マクの物理学への熱意が彼を仕事に駆り立てました。 「彼は PRL を書いていました 彼の病院のベッドからの手紙」とヤングはジャーナル Physical Review Letters に言及して言った . 「こうした状況にもかかわらず、彼はこれまでで最も生産的な学生の 1 人でした」と Heinz 氏は言います。 「それは奇跡のようなものでした。」
さらなる治療により、最終的にマックは完全に回復しました。有名な実験家であるヤングは、後に彼の介入について皮肉を言った。
2D の荒野へ
マックは 2012 年にポスドク研究員としてコーネルに移りましたが、その頃にはシャンはすでにケース ウエスタンに戻っていました。彼らはグラフェンやその他の材料を使って個々のプロジェクトを進めましたが、TMD のさらなる秘密を一緒に解き明かし続けました。
コーネル大学で、Mak は電子輸送測定の技術を学びました — 光学に加えて、電子の動きを占うもう 1 つの主要な方法です。この専門知識により、彼とシャンは、通常、研究者がいずれかのタイプを専門とする分野で二重の脅威になりました。 「ファイとジエに会うたびに、『あなたたちが輸送するのは不公平だ』と文句を言います」とキムは言いました。 「どうすればいいですか？」
デュオがTMDについて学べば学ぶほど、彼らはより興味をそそられました.研究者は通常、電子の 2 つの特性のうちの 1 つ、つまり電荷とスピン (または固有の角運動量) に注目します。電荷の流れを制御することは、現代のエレクトロニクスの基礎です。また、電子のスピンを反転させることで、より多くの情報をより小さなスペースに詰め込む「スピントロニクス」デバイスにつながる可能性があります。 2014 年、Mak は、2D 二硫化モリブデン内の電子が特別な第 3 の特性を獲得できることを発見しました。これらの電子は、特定の量の運動量で移動する必要があります。これは、研究者が「バレートロニクス」の第 3 のフィールドを生み出す可能性があると推測する「谷」として知られる制御可能な属性です。 」テクノロジー。
同年、Mak と Shan は TMD のもう 1 つの顕著な特徴を特定しました。結晶内を移動するのは電子だけではありません。物理学者はまた、電子が別の場所に飛び移ったときにできる空孔である「ホール」も追跡しています。これらの穴は、実際の正に帯電した粒子のように物質を移動できます。正孔は、電子が正孔を塞ぐ前の瞬間に、負の電子を引き付けて、励起子として知られる一時的なパートナーシップを形成します。 Shan と Mak は、2D 二セレン化タングステンの電子と正孔の間の引力を測定し、典型的な 3D 半導体よりも数百倍強いことを発見しました。この発見は、TMD の励起子が特に堅牢である可能性があり、一般的に電子はあらゆる種類の奇妙なことを行う可能性が高いことを示唆していました.
夫婦はペンシルバニア州立大学で一緒に職を確保し、そこで研究室を始めました。最終的に、TMD には自分のキャリアを賭ける価値があると確信した彼らは、その素材を新しいグループの焦点にしました。彼らは結婚もしました。
一方、Columbia の Hone のチームは、高品質の絶縁体である窒化ホウ素の上にグラフェンを配置すると、グラフェンの特性がさらに極端になることを発見しました。これは、2D マテリアルの最も新しい側面の 1 つであるスタック可能性の初期の例でした。
1 つの 2D 材料を別の材料の上に置くと、層は数分の 1 ナノメートルの間隔で配置されます。電子の観点からはまったく距離がありません。その結果、積み重ねられたシートは効果的に 1 つの物質に融合します。 「2 つの素材を組み合わせただけではありません」と Wang 氏は言います。 「あなたは本当に新しい素材を作成します。」
グラフェンは炭素原子だけで構成されているのに対し、TMD 格子の多様なファミリは、スタッキング ゲームに数十の追加要素をもたらします。各TMDには固有の能力があります。いくつかは磁気的です。他の超伝導。研究者たちは、それらを組み合わせて力を合わせてファッション素材に組み合わせることを楽しみにしていました.
しかし、Hone のグループが二硫化モリブデンを絶縁体に配置したとき、スタックの特性は、グラフェンで見られたものと比較して、精彩を欠いた改善を示しました。最終的に、彼らは TMD 結晶の品質をチェックしていなかったことに気付きました。何人かの同僚に、個々の原子を分解できる顕微鏡の下で二硫化モリブデンを突き刺してもらったとき、彼らは唖然としました。一部の原子は間違った場所に留まり、他の原子は完全に行方不明になりました。格子サイトの 100 分の 1 に何らかの問題があり、格子が電子を誘導する能力を妨げていました。対照的に、グラフェンは完璧のイメージであり、約 100 万個の原子に 1 個の欠陥がありました。 「これまで買ってきたものがまったくのゴミだったことに、ようやく気付きました」と Hone 氏は言います。
2016 年頃、彼は研究グレードの TMD を成長させるビジネスに参入することを決めました。彼はポスドクの Daniel Rhodes を採用しました。Daniel Rhodes は、原材料の粉末を非常に高い温度で溶融し、その後、氷のような速度で冷却して結晶を成長させた経験があります。 「水に砂糖を加えて氷砂糖を作るようなものです」とホーンは説明した。商用の方法では数日かかるのに対し、新しいプロセスには 1 か月かかりました。しかし、化学カタログで販売されているものよりも数百倍から数千倍優れた TMD 結晶を生成しました。
Shan と Mak は、Hone のますます手付かずの結晶を利用する前に、電子を受け入れたくない微視的なフレークをどのように処理するかを考え出すという地味な作業に直面しました。電子を送り込むために (Mak がポスドクとして習得した輸送技術の基礎)、カップルは無数の詳細に取りつかれました:電極に使用する金属の種類、TMD からの距離、どの化学物質を使用するかなどです。接点のクリーニングに使用します。電極をセットアップするための無数の方法を試すのは時間がかかり、骨の折れるものでした。「これを改良したり、少しずつ改良したりする時間のかかるプロセスです」と、Mak 氏は言います。
また、直径が 100 万分の 1 メートルしかない極小のフレークを持ち上げて積み重ねる方法を見つけるのに何年も費やしました。この能力に加えて、Hone のクリスタルと改善された電気接点により、すべてが 2018 年にまとまりました。夫婦はニューヨーク州イサカに移り、コーネル大学で新しい職に就き、先駆的な結果のカスケードが彼らの研究室から溢れ出しました.
コーネルでの突破口
マックとシャンのグループの大学院生である Zhengchao Xia 氏は、窒化ホウ素フレークの暗いシルエットが剥がれ落ちて下のシリコン表面に落ちる恐れがあるため、「今日、何らかの理由ですべてを拾うのは難しい」と語った。マダガスカルの形をしたシートは、サウジアラビアに似たグラファイトの塊に弱くくっついていた.紙が最近こすった風船のパチパチ音をたてる表面にくっついているのと同じように.次に、グラファイトは、スライドガラスに付着したプラスチックのねばねばした露滴に付着していました。 Xia はコンピュータ インターフェイスを使用して、スライドをつかむ電動スタンドを操作しました。ゲームセンターに通う人がジョイスティックでクローマシンを操作するように、彼女は、マウスをクリックするたびに 100 万分の 1 メートルの 5 分の 1 の速度でスタックを慎重に空中に持ち上げ、コンピューターのモニターをじっと見つめながら、窒化ホウ素フレークの捕獲に成功しました。
彼女が持っていた。さらに数回クリックすると、2 層のスタックが解放され、Xia はすばやく、しかし慎重に、無秩序に広がる金属電極が埋め込まれた 3 番目の材料にフレークを堆積させました。さらに数回クリックすると、彼女は表面を加熱し、スライドのプラスチック接着剤を溶かしてから、私たちのどちらかが顕微鏡デバイスをくしゃみで取り除くことができました.
「消えてしまうという悪夢をいつも見ています」と彼女は言いました。
最初から最後まで、Xia がシンプルなデバイスの下半分を組み立てるのに 1 時間以上かかりました。これは、オープンフェースの PB&J に相当します。彼女は最近まとめた別のスタックを見せて、TMDの二セレン化タングステンと二テルル化モリブデンを含むいくつかの成分をガタガタ鳴らしました.彼女がこの 1 年間に作成および研究した数十の微細なサンドイッチの 1 つであるこのダグウッドのデバイスは、なんと 10 層で構成され、組み立てるのに数時間かかりました。
コロンビア、マサチューセッツ工科大学、バークレー、ハーバード、その他の機関の研究室でも行われているこの 2D 材料の積み重ねは、凝縮物質物理学者の長年の夢の実現を表しています。研究者はもはや、地中にある物質や研究室でゆっくりと成長した物質に制限されることはありません。今では、レゴ ブロックのアトミックな同等物で遊ぶことができ、シートを一緒にスナップして、必要な特性を備えた特注の構造を構築できます。 TMD 構造の組み立てに関しては、コーネル グループほど進んだ人はほとんどいません。
マックとシャンのコーネル大学での最初の主要な発見は、2014 年に彼らが TMD で見た強く束縛された電子正孔対である励起子に関するものでした。これらの「準粒子」は、凝縮物質物理学の長年の目標を達成するための遠回りの方法を提供する可能性があるため、物理学者の興味をそそります。室温超伝導。
励起子は、電子と電子のペアと同じファンキーなルールで再生されます。これらの電子正孔対もボソンになり、ボース・アインシュタイン凝縮として知られる共有量子状態に「凝縮」します。このコヒーレントな準粒子の大群は、抵抗なしで流れる能力である超流動性などの量子特性を示すことができます。 (超流動が電流を運ぶとき、それは超伝導します。)
しかし、反発する電子とは異なり、電子と正孔は結合するのが大好きです。研究者は、これにより接着剤がより強力になる可能性があると述べています。励起子ベースの超伝導への課題は、電子が穴を埋めないようにすることと、電気的に中性のペアを電流で流すことにあります。これらはすべて、可能な限り暖かい部屋で行われます。これまでのところ、Mak と Shan は最初の問題を解決し、2 番目の問題に取り組む計画を立てています。
原子の雲は、強力なレーザーで絶対零度以上に冷却することで、凝縮体を形成するように誘導できます。しかし、理論家たちは、励起子の凝縮体がより高い温度で形成される可能性があると長い間疑っていました。 Cornell グループは、スタック可能な TMD でこのアイデアを実現しました。 2 層のサンドイッチを使用して、余分な電子を最上層に置き、電子を下層から除去して、正孔を残しました。電子と正孔がペアになり、電子が相手を中和するために反対側の層にジャンプするのに苦労するため、長寿命の励起子が生成されます。 2019 年 10 月、このグループは、穏やかな 100 ケルビンで励起子凝縮体の兆候を報告しました。このセットアップでは、励起子は、このタイプの準粒子の寿命である数十ナノ秒持続しました。 2021 年の秋、このグループは、励起子がミリ秒持続するように見える改良された装置について説明しました。これは、Mak が「事実上永遠に」と呼んだものです。
チームは現在、励起子電流を生成するために 2008 年に理論家によって作成されたスキームを追求しています。テキサス大学オースティン校の著名な凝縮物質理論家であるアラン・マクドナルドと彼の大学院生であるジョン・ジュン・スーは、電子と正孔の両方が同じ方向に移動するように誘導する方向の電場を適用することによって、中性励起子を流すことを提案しました。 .研究室でそれをやってのけるために、コーネルのグループは、長年の敵である電気的接触に再び取り組まなければなりません。この場合、複数の電極セットを TMD 層に取り付ける必要があり、一部は励起子を製造し、他は励起子を移動させます。
Shan と Mak は、近いうちに最大 100 ケルビンで励起子が流れるようになると信じています。これは人間にとっては極寒の部屋 (摂氏マイナス 173 度または華氏マイナス 280 度) ですが、ほとんどのボソン凝縮体が必要とするナノケルビン条件からは大きく飛躍しています。
「それはそれ自体が素晴らしい成果です」とマックはずるい笑顔で言いました。
魔法のモアレ素材
2018 年、コーネル研究所が TMD 実験を強化していたとき、別のグラフェンのサプライズが 2 番目の 2D 材料革命を引き起こしました。 MIT の研究者であり、別のコロンビア卒業生である Pablo Jarillo-Herrero は、下の層に対してグラフェンの 1 つの層をねじることで、魔法のような新しい 2D 材料が作成されたことを発表しました。秘密は、六角形が下の六角形に対して正確に 1.1 度回転するように、六角形がわずかに「ねじれ」て着地するように上層を落とすことでした。この角度のずれにより、原子間にオフセットが生じ、材料上を移動するにつれて成長および収縮し、モアレ超格子として知られる大きな「スーパーセル」の繰り返しパターンが生成されます。マクドナルドと同僚は 2011 年に、1.1 度の「魔法の角度」で、超格子の独特な結晶構造がグラフェンの電子を減速させ、隣接する電子の反発を感知させると計算しました。
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.
