2차원에서 마법을 찾는 Physics Duo

2차원에서 마법을 찾는 Physics Duo
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응축 물질 물리학
작성찰리 우드

2022년 8월 16일

2차원 크리스탈 가족을 탐험하면서 부부 팀은 새롭고 강력한 전자 행동.

Jie Shan(왼쪽)과의 파트너십에 대해 Kin Fai Mak은 “1 더하기 1은 둘 이상입니다.”

Quanta Magazine의 Sasha Maslov와 Olena Shmahalo

몰리브덴, 심지어 훈련된 눈, 흑연과 거의 동일하게 보입니다. 광택이 나는 은빛 c 크리스탈. 그것은 또한 유사한 역할을 하여 좋은 연필 충전물을 만드는 방식으로 플레이크를 벗겨냅니다. 그러나 전자에게는 두 개의 원자 격자가 다른 세계를 형성합니다. 구별은 244년 전에 처음으로 과학적 기록에 들어왔습니다. 산소 발견으로 유명한 스웨덴의 화학자 Carl Scheele은 각 광물을 여러 산에 녹이고 폭발하는 가스 구름을 관찰했습니다. 결국 43세에 중금속 중독으로 의심되어 사망한 Scheele은 이 접근 방식을 위해 목숨을 걸고 몰리브데나이트가 새로운 물질이라고 결론지었습니다. 1778년 스웨덴 왕립 과학 아카데미에 보낸 편지에서 그는 이것을 설명하면서 이렇게 썼습니다. 이 전이 금속은 알려지지 않은 것 같습니다.”

분말 조각으로 조각나는 경향이 있기 때문에 몰리브덴은 세계에서 인기 있는 윤활제가 되었습니다. 20 세기. 그것은 스키가 눈을 뚫고 더 멀리 미끄러지는 것을 도왔고 베트남의 소총 배럴에서 총알의 출구를 부드럽게했습니다.

오늘도 그 헐렁함 물리학 혁명을 일으키고 있습니다.

흑연과 스카치 테이프에서 시작된 혁신. 연구원들은 2004년에 우연히 테이프를 사용하여 원자 1개 두께의 흑연 조각을 떼어낼 수 있다는 것을 발견했습니다. 탄소 원자의 평평한 배열인 이 결정 시트는 원래의 3차원 결정과는 근본적으로 다른 놀라운 특성을 가지고 있습니다. 그래핀(발견자들이 명명한 대로)은 완전히 새로운 범주의 물질인 2D 물질이었습니다. 그것의 발견은 물질의 다양한 형태와 행동을 이해하고자 하는 물리학의 한 분야인 응집 물질 물리학을 변화시켰습니다. 모든 물리학자의 거의 절반이 응집 물질 물리학자입니다. 컴퓨터 칩, 레이저, LED 전구, MRI 기계, 태양 전지판 및 모든 종류의 현대 기술 경이를 가져온 것은 하위 분야입니다. 그래핀의 발견 이후, 수천 명의 응축 물질 물리학자들은 그것이 미래 기술의 기반이 되기를 바라며 새로운 물질을 연구하기 시작했습니다.

그래핀의 발견자들은 2010년 노벨 물리학상. 같은 해 콜롬비아 대학의 두 젊은 물리학자인 Jie Shan과 Kin Fai Mak은 몰리브덴 조각이 그래핀보다 훨씬 더 마법적일 수 있다는 징후를 보았습니다. 덜 알려진 광물은 연구를 어렵게 만드는 특성을 가지고 있습니다. 많은 실험실에서는 너무 어렵습니다. 그러나 Shan과 Mak의 마음을 사로잡았습니다. 집요한 듀오는 거의 10년 동안 2D 몰리브덴(또는 이황화 몰리브덴 결정이라고 함)과 밀접하게 관련된 2D 결정 계열을 논쟁하는 데 바쳤습니다.

이제 그들의 노력이 결실을 맺고 있습니다. 현재 결혼하여 코넬 대학에서 공동 연구 그룹을 운영하고 있는 Shan과 Mak은 이황화 몰리브덴과 그 친척의 2D 결정이 엄청나게 다양한 이국적인 양자 현상을 일으킬 수 있음을 보여주었습니다. 코넬 연구소에 고품질 수정을 공급하는 Columbia의 연구원인 James Hone은 “정말 미친 놀이터입니다.”라고 말했습니다. “당신은 하나의 물질 시스템에서 현대의 모든 응집 물질 물리학을 할 수 있습니다.”

Shan과 Mak의 그룹은 에서 행동하는 전자를 포착했습니다. 이 평평한 결정체에서 전례 없는 방식으로. 그들은 입자가 양자 유체로 합쳐져 다양한 얼음 같은 구조로 얼어붙게 만들었습니다. 그들은 이제 물질의 기본 이론에 대한 테스트 베드 역할을 하는 거대한 인공 원자의 격자를 조립하는 방법을 배웠습니다. 마스터 전자 조련사는 2018년 코넬 연구소를 개원한 이래로 과학 분야에서 가장 권위 있는 학술지인 Nature에 놀라운 8편의 논문을 발표했으며, 수많은 추가 서류. 이론가들은 이 부부가 전자 무리에 대한 이해를 확장하고 있다고 말합니다.

그들의 연구는 “많은 사람들에게 깊은 인상을 줍니다. “라고 하버드 대학의 저명한 응집물질 물리학자인 Philip Kim은 말했습니다. “그것은, 내가 말하고 싶습니다.”

2D 재료의 부상

물질의 속성은 일반적으로 전자가 하는 일을 반영합니다. 예를 들어 금속과 같은 전도체에서 전자는 전기를 운반하면서 원자 사이를 쉽게 항해합니다. 나무와 유리와 같은 절연체에서 전자는 그대로 유지됩니다. 실리콘과 같은 반도체는 그 사이에 위치합니다. 이들의 전자는 유입되는 에너지와 함께 강제로 움직이게 되어 트랜지스터의 역할인 전류를 켜고 끄는 데 이상적입니다. 지난 50년 동안 이 세 가지 기본적인 전자 거동 외에도, 응집 물질 물리학자들은 가벼운 하전 입자가 훨씬 더 이국적인 방식으로 거동하는 것을 보았습니다.

더 극적인 놀라움 중 하나는 1986년에 두 명의 IBM 연구원인 Georg Bednorz와 Alex Müller가 아무런 저항 없이 구리 산화물(“쿠프레이트”) 결정을 통해 이동하는 전자의 전류를 감지했을 때였습니다. 이 초전도성(전기가 완벽한 효율로 흐를 수 있는 능력)은 이전에 볼 수 있었지만 절대 영도의 몇 도 이내로 냉각된 재료에서 잘 알려진 이유 때문입니다. 이번에 Bednorz와 Müller는 기록적인 35 켈빈(절대 영도에서 35도 위)에서 지속되는 신비한 형태의 현상을 관찰했습니다. 과학자들은 곧 100 켈빈 이상에서 초전도하는 다른 큐프레이트를 발견했습니다. 오늘날 응축 물질 물리학의 가장 중요한 목표로 남아 있는 꿈이 탄생했습니다. 약 300켈빈의 뜨거운 세상에서 전기를 초전도시킬 수 있는 물질을 찾거나 엔지니어링하여 무손실 전력선, 공중 부양 차량 및 기타 고효율 장치를 가능하게 하는 것입니다. 인류의 에너지 수요를 크게 줄일 수 있습니다.

큐프레이트 YBa의 이 펠릿과 같은 초전도체2CuO6+x 외부 자기장의 영향에 저항하여 재료가 자석 위로 부상할 수 있도록 합니다.

Andrea Damascelli의 의례

초전도성의 핵심은 일반적으로 서로 반발하는 전자를 동축하여 보손(boson)으로 알려진 실체를 형성하도록 하는 것입니다. 그런 다음 보손은 집합적으로 마찰이 없는 양자 유체로 융합될 수 있습니다. 원자 진동과 같이 보존을 생성하는 인력은 일반적으로 극저온 또는 고압에서만 전자의 반발을 극복할 수 있습니다. 그러나 이러한 극한 조건의 필요성으로 인해 초전도가 일상적인 장치에 들어가는 것을 방지했습니다. 큐프레이트의 발견은 올바른 원자 격자가 전자를 너무 단단히 “접착”하여 실온에서도 붙어 있을 수 있다는 희망을 불러일으켰습니다.

Bednorz와 Müller의 발견 이후 40년이 지난 지금도 이론가들은 큐프라테스의 접착제가 어떻게 작용하는지 완전히 확신하지 못하고 있으며, 이를 강화하기 위해 재료를 조정하는 방법은 더욱 그렇습니다. 따라서, 응집 물질 물리학에 대한 많은 연구는 전자를 짝지어 유지하거나 다른 놀라운 방법으로 전자를 양보할 수 있는 결정에 대한 시행착오 사냥입니다. 김 교수는 “응축 물질은 우연을 가능하게 하는 물리학의 한 분야”라고 말했다. 2004년 2D 물질의 발견이 그랬습니다.

Andre Geim 및 Konstantin Novoselov, 영국 맨체스터 대학에서 흑연으로 작업하면서 재료의 박편으로 인한 충격적인 결과를 발견했습니다. 흑연 결정은 느슨하게 결합된 육각형 시트로 배열된 탄소 원자를 포함합니다. 이론가들은 스택의 안정화 영향이 없으면 열에 의한 진동이 단층 시트를 깨뜨릴 것이라고 오랫동안 예측했습니다. 그러나 Geim과 Novoselov는 스카치 테이프와 끈기로 안정되고 원자적으로 얇은 시트를 벗겨낼 수 있음을 발견했습니다. 그래핀은 최초의 진정한 평면 물질이었습니다. 전자가 위아래로 미끄러질 수는 있지만 위아래로 미끄러질 수는 없는 면입니다.

여보, 콜롬비아 물리학자는 세계에서 가장 얇은 물질이 어떻게 든 가장 강하다는 것을 발견했습니다. 이론가들이 전혀 어울리지 않을 것이라고 생각했던 물질에 대한 놀라운 혼란이었습니다.

그래핀에 대해 가장 흥미로운 물리학자들 탄소 평지가 전자를 어떻게 변형시켰는지, 그 어떤 것도 전자를 늦출 수 없었습니다. 전자는 이동하는 원자의 격자에 걸려 교과서 질량보다 더 무겁게 작용하는 경우가 많습니다(절연체의 움직이지 않는 전자는 질량이 무한대인 것처럼 작용합니다). 그러나 그래핀의 평평한 격자는 전자가 초당 백만 미터의 속도로 윙윙거리게 합니다. 이는 빛의 속도보다 불과 몇 백 배 느립니다. 그 일정하고 빠른 속도로 전자는 마치 질량이 전혀 없는 것처럼 날아갔고, 그래핀은 극도의(초는 아니지만) 전도성을 갖게 되었습니다.

경이로운 재료 주위에 전체 필드가 ​​솟아올랐습니다. 연구자들은 또한 더 광범위하게 생각하기 시작했습니다. 다른 물질의 2D 플레이크가 자체적으로 초능력을 가질 수 있습니까? Hone은 분기한 사람들 중 하나였습니다. 2009년에 그는 흑연의 도플갱어인 이황화 몰리브덴의 기계적 특성을 측정한 다음 Tony Heinz의 Columbia 연구소에 있는 두 명의 광학 전문가에게 결정을 전달했습니다. 관련된 모든 사람의 경력을 바꿀 수 있는 우연한 조치였습니다.

이황화 몰리브덴 샘플이 Jie Shan의 손에 전달되었습니다. , 그녀의 경력 초기에 방문 교수와 대학원생인 Kin Fai Mak. 젊은 듀오는 그래핀이 빛과 어떻게 상호 작용하는지 연구하고 있었지만 이미 다른 물질에 대한 공상을 시작했습니다. 그래핀의 빠른 전자는 그것을 환상적인 전도체로 만들지만 그들이 원하는 것은 2D 반도체였습니다. 전자의 흐름을 켜고 끌 수 있고 따라서 트랜지스터 역할을 할 수 있는 물질입니다.

이황화 몰리브덴은 반도체로 알려져 있습니다. 그리고 Shan과 Mak은 흑연처럼 2D에서 추가적인 힘을 얻는다는 것을 곧 알게 되었습니다. 그들이 “이황화 몰리”의 3D 결정에 레이저를 쏘았을 때(그들이 애칭으로 부르는 대로), 결정은 어둡게 유지되었습니다. 그러나 Shan과 Mak은 스카치 테이프로 레이어를 뜯고 레이저로 두드려 현미경으로 관찰했을 때 2D 시트가 밝게 빛나는 것을 보았습니다.

다른 그룹의 연구는 밀접하게 관련된 재료의 잘 만들어진 시트가 그것들에 부딪히는 모든 마지막 광자를 반영한다는 것을 나중에 확인시켜줄 것입니다. Mak은 최근 Cornell에 있는 공동 사무실에서 Shan을 만났을 때 “정말 놀랍습니다.”라고 말했습니다. “원자 한 장만 있으면 완벽한 거울처럼 빛을 100% 반사할 수 있습니다.” 그들은 이 속성이 멋진 광학 장치로 이어질 수 있음을 깨달았습니다.

독립적으로 캘리포니아 대학의 물리학자인 Feng Wang은 버클리도 같은 발견을 했습니다. 반사율이 높은 2D 소재와 부팅용 반도체가 커뮤니티의 주목을 받았습니다. 두 그룹 모두 2010년에 연구 결과를 발표했습니다. 그 이후로 그 논문들은 그들 사이에서 16,000번 이상의 인용을 받았습니다. “레이저를 가진 모든 사람들이

몰리 이황화물을 두 번째 2D 경이 물질로 확인함으로써 두 그룹은 2D 재료의 전체 대륙에 상륙. 몰리 이황화물은 전이 금속 디칼코게나이드(TMD)로 알려진 물질 군에 속하며, 여기서 몰리브덴과 같은 주기율표의 금속 중간 영역의 원자가 황과 같은 칼코게나이드로 알려진 화합물 쌍과 연결됩니다. 이황화 몰리는 유일하게 자연적으로 발생하는 TMD이지만 연구원들이 실험실에서 채찍질할 수 있는 이황화 텅스텐, 디텔루르화 몰리브덴 등 수십 가지가 더 있습니다. 대부분은 약하게 결합된 시트를 형성하여 테이프 조각의 비즈니스 측면에 취약합니다.

곧 흥분의 초기 물결 그러나 연구원들이 TMD가 빛나는 것 이상을 수행하도록 하기 위해 고군분투하면서 쇠퇴했습니다. Wang의 그룹은 금속 전극을 이황화몰리콘에 쉽게 부착할 수 없다는 것을 발견한 후 그래핀에 다시 빠졌습니다. “그것은 꽤 몇 년 동안 우리 그룹의 걸림돌이었습니다.”라고 그는 말했습니다. “지금도 연락이 잘 안 돼요.” 그래핀에 비해 TMD의 주요 장점은 또한 가장 큰 약점인 것 같습니다. 재료의 전자 특성을 연구하기 위해 연구자는 종종 전자를 내부로 밀어 넣어 결과 전류의 저항을 측정해야 합니다. 그러나 반도체는 열악한 도체이기 때문에 전자가 들어오고 나가는 것이 어렵습니다.

Mak과 Shan은 처음에는 양면성을 느꼈습니다. Mak은 “그래핀에 대한 작업을 계속해야 하는지 아니면 이 새로운 재료에 대한 작업을 시작해야 하는지 여부가 정말 불분명했습니다.”라고 말했습니다. “하지만 이 좋은 속성이 있다는 것을 알았기 때문에 우리는 몇 가지 더 실험을 계속했습니다.”

그들이 일하면서, 두 연구원은 이황화 몰리와 서로에게 점점 더 매료되었습니다. 처음에 그들의 연락은 주로 연구 중심의 이메일로 제한된 전문적이었습니다. “Fai는 종종 ‘그 장비가 어디에 있습니까? 그걸 어디에 뒀어?’” Shan이 말했다. 그러나 오랜 시간 동안 배양되고 실험적인 성공에 의해 촉진된 그들의 관계는 결국 낭만적으로 변했습니다. Mak은 “말 그대로 같은 연구실에서 같은 프로젝트를 진행하는 서로를 너무 자주 봤습니다.”라고 말했습니다. “잘 진행되는 프로젝트도 저희를 기쁘게 했습니다.”

항상 모든 물리학

두 헌신적인 물리학자 사이의 파트너십이 필요합니다. 골칫거리 TMD를 제압하는 철칙.

학계는 항상 Shan에게 쉽게 찾아왔습니다. 1970년대에 해안 지역인 Zhejiang에서 성장한 그녀는 수학, 과학, 언어에서 뛰어난 성적을 거두었고 Hefei에 있는 중국 과학 기술 대학에서 탐나는 자리를 얻었습니다. 그곳에서 그녀는 중국과 소련 간의 선택적 문화 교류 프로그램에 자격을 얻었고 모스크바 주립 대학에서 러시아어와 물리학을 공부할 기회에 뛰어 들었습니다. “십대 시절에는 세상을 탐험하고 싶어합니다.”라고 그녀는 말했습니다. “저는 주저하지 않았습니다.”

즉시 그녀는 생각했던 것보다 더 많은 세상을 보았습니다. 비자 문제로 러시아 도착이 몇 개월 지연되었고 언어 프로그램에서 자리를 잃었습니다. 당국은 그녀에게 다른 코스를 찾아냈고, 모스크바에 도착한 직후 기차를 타고 동쪽으로 5,000km를 여행했습니다. 3일 후 그녀는 겨울이 시작될 무렵 시베리아 한가운데 이르쿠츠크에 도착했습니다. “내가 얻은 조언은 ‘절대, 장갑 없이는 아무것도 만지지 말라’는 것이었습니다.”라고 그녀는 말했습니다.

Shan은 장갑을 끼고 한 학기에 러시아어를 배웠고 겨울 풍경의 황홀한 아름다움을 감상하게 되었습니다. 코스가 끝나고 눈이 녹자 그녀는 물리학 학위를 받기 위해 수도로 돌아와 1990년 봄 소련이 해체되는 와중에 모스크바에 도착했습니다.

그들은 혼란스러운 해였습니다. Shan은 공산주의자들이 정부에 대한 통제권을 되찾으려 할 때 대학 근처의 거리를 굴러다니는 탱크를 보았습니다. 또 다른 경우에는 기말고사 직후에 싸움이 벌어졌습니다. 그녀는 “총소리가 들렸고 기숙사 불을 끄라는 지시를 받았다”고 말했다. 음식에서 화장지까지 모든 것이 쿠폰 시스템을 통해 배급되었습니다. 그럼에도 불구하고 Shan은 혼란에도 불구하고 연구를 계속한 교수들의 회복력에 영감을 받았습니다. “여건이 어려웠지만 많은 과학자들이 이런 태도를 보였습니다. 무슨 일이 있어도 그들은 자신이 하는 일을 진정으로 사랑합니다.”라고 그녀는 말했습니다.

세계 질서가 무너지면서 Shan은 자신을 돋보이게 했습니다. , 컬럼비아에서 하인즈의 시선을 사로잡은 이론적인 광학 논문을 출판했습니다. 그는 그녀가 지원하도록 격려했고 그녀는 뉴욕으로 이주하여 때때로 다른 국제 학생들이 외국에 발을 디딜 수 있도록 도왔습니다. 예를 들어, 그녀는 Wang을 하인즈의 연구실에서 일하게 하고 실험 팁을 공유했습니다. 그는 “그녀는 내게 인내하는 법과 레이저에 좌절하지 않는 법을 가르쳐줬다”고 말했다.

대부분의 연구원은 박사 학위를 취득한 후 박사후 연구원이 되지만 Shan은 2001년 Case Western Reserve University에 직접 부교수로 합류했습니다. 몇 년 후 안식년에 그녀는 Columbia에 있는 Heinz의 연구실로 돌아왔습니다. 일단 그녀의 타이밍은 우연이었다. 그녀는 Heinz의 그룹인 Kin Fai Mak의 매력적이고 밝은 눈을 가진 대학원생과 공동 작업을 시작했습니다. Mak은 다른 , 덜 소란스러운 뉴욕시로 가는 길. 홍콩에서 자라면서 그는 물리학 외에는 거의 이해가 되지 않는 학교에서 어려움을 겪었습니다. “내가 유일하게 좋아하고 잘하는 것이 물리학을 선택했습니다.”라고 그는 말했습니다.

그의 학부생 홍콩 대학의 연구 결과가 눈에 띄었고, Heinz는 그를 컬럼비아의 급성장 중인 응집 물질 물리학 프로그램에 합류시키기 위해 그를 모집했습니다. 그곳에서 그는 연구에 몰두했고, 가끔 교내 축구 경기를 제외하고는 거의 깨어 있는 시간을 실험실에서 보냈다. 동료 대학원생인 Andrea Young(현재 산타바바라 캘리포니아 대학교 조교수)은 West 113th Street에서 Mak과 아파트를 공유했습니다. “아침 2시에 그를 붙잡아 파스타를 요리하고 물리학에 대해 이야기할 수 있다면 운이 좋았습니다. 항상 물리학이었습니다.”라고 Young은 말했습니다.

하지만 좋은 시간은 지속되지 않았습니다. Young과 함께 콜롬비아의 아마존 열대 우림으로 여행을 떠난 직후 Mak은 병에 걸렸습니다. 그의 의사들은 그의 수수께끼 같은 검사 결과에 대해 어떻게 생각해야 할지 확신하지 못했고 그는 더 아팠습니다. 운이 좋은 우연이 그의 생명을 구했습니다. Young은 의료 연구원인 그의 아버지에게 상황을 설명했습니다. 아버지는 재생 불량성 빈혈의 징후를 즉시 알아차렸습니다. 그는 우연히 자신의 연구 주제가 된 특이한 혈액 상태였습니다. “우선 이 질병에 걸리는 것은 실제로 매우 드뭅니다.”라고 Mak이 말했습니다. “그리고 룸메이트의 아버지가 전문가인 병에 걸리는 경우는 더 드물어요.”

Young의 아버지는 Mak이 실험에 등록하는 것을 도왔습니다. 치료. 그는 대학원 마지막 해의 대부분을 병원에서 보냈고 여러 번 죽을 뻔했습니다. 시련을 겪으면서도 물리학에 대한 Mak의 열정은 그를 계속 일하게 만들었습니다. 영은 Physical Review Letters. “이 모든 것에도 불구하고 그는 가장 생산적인 학생 중 한 명입니다.”라고 Heinz는 말했습니다. “기적이었어요.”

추가 치료는 결국 Mak이 완전히 회복하는 데 도움이 되었습니다. 잘 알려진 실험가인 Young은 나중에 자신의 개입에 대해 “친구들 사이에서는 그것을 물리학에 대한 가장 큰 공헌이라고 부릅니다.”라고 비웃었습니다.

2D 황야 속으로 Mak은 2012년 박사후 연구원으로 Cornell로 옮겼으며 그 당시 Shan은 이미 Case Western으로 돌아왔습니다. 그래핀 및 기타 재료를 사용하여 개별 프로젝트를 추구했지만 TMD의 추가 비밀을 함께 풀어나가는 작업도 계속했습니다.

코넬에서 , Mak은 광학 외에 전자의 움직임을 파악하는 또 다른 주요 방법인 전자 수송 측정의 기술을 배웠습니다. 이러한 전문 지식은 연구자들이 일반적으로 한 가지 유형 또는 다른 유형을 전문으로 하는 분야에서 그와 Shan을 이중 위협으로 만들었습니다. 김씨는 “파이와 지에를 만날 때마다 ‘너희들이 운송하는 게 불공평하다’고 하소연한다”고 말했다. “내가 뭘 하면 좋을까?”

둘은 TMD에 대해 알면 알수록 흥미를 갖게 된다. 연구원들은 일반적으로 전자의 두 가지 특성인 전하와 스핀(또는 고유 각운동량) 중 하나에 초점을 맞춥니다. 전하의 흐름을 제어하는 ​​것은 현대 전자공학의 기초입니다. 그리고 전자의 스핀을 뒤집으면 더 작은 공간에 더 많은 정보를 담는 “스핀트로닉스” 장치가 탄생할 수 있습니다. 2014년 Mak은 2D 이황화 몰리파이드의 전자가 특별한 세 번째 속성을 획득할 수 있음을 발견하는 데 도움을 주었습니다. 이 전자는 특정 양의 운동량으로 움직여야 하며, 연구자들은 “밸리(valley)”로 알려진 제어 가능한 속성이 “밸리트로닉스(valleytronics)”의 세 번째 분야를 생성할 수 있다고 추측합니다. ” 기술. 같은 해 Mak과 Shan은 TMD의 또 다른 놀라운 기능을 확인했습니다. 전자는 결정을 통해 움직이는 유일한 존재가 아닙니다. 물리학자들은 또한 전자가 다른 곳으로 이동할 때 생성되는 빈 공간인 “구멍”을 추적합니다. 이 구멍은 실제 양전하 입자처럼 물질을 돌아다닐 수 있습니다. 정공은 전자가 정공을 막기 직전에 엑시톤(exciton)으로 알려진 일시적인 동반자 관계를 형성하기 위해 음의 전자를 끌어당깁니다. Shan과 Mak은 2D 텅스텐 디셀렌화물에서 전자와 정공 사이의 인력을 측정한 결과 일반적인 3D 반도체보다 수백 배 더 강한 인력을 발견했습니다. 이 발견은 TMD의 여기자가 특히 강력할 수 있고 일반적으로 전자가 모든 종류의 이상한 일을 할 가능성이 더 높다는 것을 암시했습니다.

메릴 셔먼/Quanta Magazine

Merrill Sherman/Quanta Magazine

부부는 펜실베니아 주립 대학에서 함께 자리를 잡고 그곳에서 연구실을 시작했습니다. 마침내 TMD가 자신의 경력을 걸만한 가치가 있다고 확신하고 자료를 새 그룹의 초점으로 삼았습니다. 그들은 또한 결혼했습니다.

한편, Columbia의 Hone 팀은 그래핀을 위에 놓았을 때 그래핀의 특성이 훨씬 더 극단적인 것을 보았습니다. 고품질 절연체, 질화붕소. 2D 재료의 가장 새로운 측면 중 하나인 스택 가능성의 초기 예였습니다.

2D 재료를 맨 위에 놓기 그리고 그 층들은 나노미터의 일부만 떨어져 있을 것입니다. 전자의 관점에서 보면 전혀 거리가 없습니다. 결과적으로 적층 시트는 하나의 물질로 효과적으로 병합됩니다. Wang은 “단순히 두 가지 재료를 함께 사용하는 것이 아닙니다. “당신은 정말로 새로운 물질을 창조합니다.”

그래핀은 탄소 원자로만 구성되어 있지만 TMD 격자의 다양한 제품군은 수십 추가 요소를 스태킹 게임에 추가합니다. 각 TMD에는 고유한 기능이 있습니다. 일부는 자기적입니다. 그 외 초전도. 연구원들은 그들의 결합된 힘으로 그것들을 패션 재료에 혼합하고 일치시키기를 고대했습니다.

그러나 Hone의 그룹이 이황화 몰리 절연체, 스택의 특성은 그래핀에서 보았던 것과 비교하여 부족한 이득을 보였습니다. 결국 그들은 TMD 결정의 품질을 확인하지 않았다는 것을 깨달았습니다. 몇몇 동료들에게 개별 원자를 분해할 수 있는 현미경으로 이황화몰리콘을 집어넣게 했을 때 그들은 기절했습니다. 일부 원자는 잘못된 위치에 있었고 다른 원자는 완전히 사라졌습니다. 격자 사이트 100개 중 1개 정도가 전자를 유도하는 격자의 능력을 방해하는 문제가 있었습니다. 이에 비해 그래핀은 원자 100만 개당 약 1개의 결함이 있는 완벽한 이미지였습니다. “우리는 마침내 우리가 구매는 완전히 쓰레기였습니다.”라고 Hone은 말했습니다.

Mak과 Shan은 다음 그룹을 감독합니다. 수십 명의 학생 및 주니어 연구원.

Quanta Magazine의 Sasha Maslov

2016년경, 그는 연구용 TMD를 성장시키는 사업에 뛰어들기로 결정했습니다. 그는 극도로 높은 온도에서 원료 분말을 녹인 다음 빙하의 속도로 냉각시켜 결정을 성장시킨 경험이 있는 박사후 연구원인 Daniel Rhodes를 모집했습니다. “그것은 물 속의 설탕으로 락 캔디를 키우는 것과 같습니다.”라고 Hone은 설명했습니다. 새로운 프로세스는 상업적 방법의 경우 며칠이 걸리는 데 비해 한 달이 걸렸습니다. 그러나 그것은 화학 카탈로그에서 판매되는 것보다 수백에서 수천 배 더 나은 TMD 결정을 생산했습니다.

Shan과 Mak이 점점 더 깨끗해지는 Hone의 결정을 이용하여 그들은 전자를 받아들이는 것을 좋아하지 않는 미세한 조각으로 작업하는 방법을 알아내는 화려하지 않은 작업에 직면했습니다. Mak이 박사후 연구원으로 선택한 수송 기술의 기초) 전자를 주입하기 위해 부부는 전극에 사용할 금속 유형, 전극을 놓을 TMD에서 얼마나 멀리 떨어져 있는지, 심지어 어떤 화학 물질을 배치해야 하는지 등 셀 수 없이 많은 세부 사항에 집착했습니다. 접점을 청소하는 데 사용합니다. 전극을 설정하는 끝없는 방법을 시도하는 것은 느리고 힘들었습니다. “이것을 정제하거나 조금씩 정제하는 데 시간이 많이 걸리는 과정”이라고 Mak이 말했습니다.

그들은 또한 1/1000000000000000 크기에 불과한 미세한 조각을 들어 올리고 쌓는 방법을 찾는 데 몇 년을 보냈습니다. 이 능력과 Hone의 수정 및 개선된 전기 접점으로 모든 것이 2018년에 하나로 통합되었습니다. 부부는 뉴욕주 Ithaca로 이사하여 Cornell에서 새로운 직책을 맡았고 연구실에서 수많은 선구적인 결과가 쏟아져 나왔습니다.

코넬 대학의 혁신

“오늘은 어떤 이유로든 모든 것을 정리하기가 어렵습니다.”라고 Mak and Shan 그룹의 대학원생인 Zhengchao Xia가 말했습니다. 질화붕소 플레이크의 어두운 실루엣이 벗겨져 아래의 실리콘 표면으로 떨어질 위험이 있기 때문입니다. 마다가스카르 모양의 시트는 최근 문지른 풍선의 딱딱거리는 표면에 종이가 달라붙는 것처럼 사우디아라비아를 닮은 흑연 덩어리에 약하게 달라붙었다. 흑연은 차례로 유리 슬라이드에 부착된 끈적끈적한 플라스틱 이슬 방울에 달라붙었습니다. Xia는 컴퓨터 인터페이스를 사용하여 슬라이드를 잡는 전동 스탠드를 지시했습니다. 오락실을 찾는 사람이 조이스틱으로 클로 머신을 조종하는 것처럼, 그녀는 마우스 클릭당 1/500만 미터의 속도로 조심스럽게 스택을 공중으로 들어 올려 컴퓨터 모니터를 열심히 쳐다보고 있었습니다. 질화붕소 플레이크를 성공적으로 잡았습니다.

그녀는 가지고 있었습니다. 몇 번 더 클릭하면 2층 스택이 해제되었고 Xia는 신속하지만 의도적으로 플레이크를 거대한 금속 전극이 내장된 제3의 재료에 증착하기 위해 이동했습니다. 클릭 몇 번으로 그녀는 표면을 가열했고, 우리 둘 중 하나가 현미경 장치를 재채기하기 전에 슬라이드의 플라스틱 접착제를 녹였습니다.

“나는 항상 그것이 사라지는 악몽을 꿉니다.”라고 그녀는 말했습니다.

Mak and Shan 그룹의 대학원생인 Zhengchao Xia는 전동 포지셔닝 스테이지를 사용하여 재료 레이어를 쌓습니다. 새로운 2D 장치.

Charlie Wood/Quanta Magazine

Xia는 처음부터 끝까지 간단한 장치의 아래쪽 절반을 조립하는 데 1시간 이상 걸렸습니다. 피앤제이. 그녀는 최근에 조립한 또 다른 스택을 보여주고 TMD 텅스텐 디셀레나이드와 몰리 디텔루라이드를 포함한 몇 가지 성분을 덜컥 거리는 소리를 냈습니다. 그녀가 작년에 구성하고 연구한 수십 개의 미세한 샌드위치 중 하나인 이 Dagwood 장치는 무려 10개의 층이 있고 조립하는 데 몇 시간이 걸렸습니다.

Columbia, Massachusetts Institute of Technology, Berkeley, Harvard 및 기타 기관의 실험실에서도 수행되는 이러한 2D 재료 적층은 응집 물질 물리학자의 오랜 꿈의 실현을 나타냅니다. 연구원은 더 이상 땅에서 발견되거나 실험실에서 천천히 성장하는 물질에 국한되지 않습니다. 이제 그들은 레고 브릭과 같은 원자재를 가지고 놀 수 있고, 시트를 함께 끼워 원하는 속성을 가진 맞춤형 구조물을 만들 수 있습니다. TMD 구조를 조립하는 것과 관련하여 Cornell 그룹만큼 멀리 가는 사람은 거의 없습니다.

Mak과 Shan의 첫 번째 주요 발견 Cornell은 2014년에 TMD에서 본 강하게 결합된 전자-정공 쌍인 여기자를 우려했습니다. 여기자는 물리학자들의 관심을 끌었습니다. 이러한 “준입자”가 응축 물질 물리학의 영원한 목표인 실온 초전도성을 달성하기 위한 우회적인 방법을 제공할 수 있기 때문입니다.

여기자는 전자-전자 쌍과 동일한 펑키 규칙에 따라 작동합니다. 이 전자-정공 쌍도 보손이 되어 보스-아인슈타인 응축물로 알려진 공유 양자 상태로 “응축”됩니다. 이 일관된 준입자 무리는 저항 없이 흐를 수 있는 능력인 초유동성과 같은 양자 특성을 나타낼 수 있습니다. (초유체에 전류가 흐르면 초전도가 됩니다.)

하지만 반발하는 전자와 달리 전자와 정공은 결합하는 것을 좋아합니다. 연구원들은 이것이 잠재적으로 접착제를 더 강하게 만들 수 있다고 말합니다. 여기자 기반 초전도에 대한 도전은 전자가 구멍을 채우는 것을 방지하고 전기적으로 중성인 쌍을 전류로 흐르게 하는 데 있습니다. 이 모든 것이 가능한 한 따뜻한 방에서 이루어집니다. 지금까지 Mak과 Shan은 첫 번째 문제를 해결했고 두 번째 문제를 해결할 계획을 가지고 있습니다.

원자의 구름은 강력한 레이저로 절대 영도 이상의 모발로 냉각시켜 응축물을 형성하도록 유도합니다. 그러나 이론가들은 여기자의 응축물이 더 높은 온도에서 형성될 수 있다고 오랫동안 의심해 왔습니다. Cornell 그룹은 쌓을 수 있는 TMD로 이 아이디어를 현실로 만들었습니다. 2층 샌드위치를 ​​사용하여 그들은 맨 위 층에 여분의 전자를 넣고 맨 아래에서 전자를 제거하여 정공을 남겼습니다. 전자와 정공이 짝을 이루어 전자가 파트너를 중화시키기 위해 반대 층으로 점프하는 데 어려움을 겪기 때문에 수명이 긴 엑시톤을 만듭니다. 2019년 10월, 이 그룹은 100 켈빈에서 엑시톤 응축물의 징후를 보고했습니다. 이 설정에서 엑시톤은 이러한 유형의 준입자의 수명인 수십 나노초 동안 지속되었습니다. 2021년 가을, 이 그룹은 엑시톤이 밀리초 동안 지속되는 개선된 장치를 설명했으며, Mak은 이를 “실제로 영원히”라고 불렀습니다.

연구원들이 3D에서 스카치 테이프를 찢습니다. 2D 시트를 만드는 크리스탈(왼쪽). 그런 다음 이 층을 쌓고 전극을 부착합니다. 그러한 장치의 현미경 이미지가 컴퓨터 모니터에 나타납니다(오른쪽).

Quanta Magazine의 Sasha Maslov

팀은 현재 여기자 전류를 생성하기 위해 2008년 이론가들이 고안한 계획을 추구하고 있습니다. 텍사스대학교 오스틴의 저명한 응집물질 이론가인 앨런 맥도날드와 그의 대학원생 수정정은 전자와 정공이 같은 방향으로 움직이도록 유도하는 방향의 전기장을 인가하여 중성 여기자를 흐르게 할 것을 제안했습니다. . 연구실에서 이를 해결하기 위해 Cornell 그룹은 다시 한 번 그들의 영원한 적인 전기 접점과 씨름해야 합니다. 이 경우 TMD 층에 여러 세트의 전극을 부착해야 하며, 일부는 엑시톤을 제조하고 다른 일부는 엑시톤을 이동시키기 위해 부착해야 합니다.

Shan과 Mak은 곧 최대 100켈빈에서 엑시톤이 흐르도록 하는 궤도에 올랐다고 생각합니다. 그것은 사람이 살기에 매우 추운 방(섭씨 -173도 또는 화씨 -280도)이지만 대부분의 bosonic 응축수가 필요로 하는 나노켈빈 조건에서 엄청난 도약입니다.

“온도를 10억 ​​배 더 따뜻하게 하는 것”이라고 Mak이 교활한 미소를 지으며 “그 자체로 좋은 성과가 될 것입니다.”

마법 모아레 소재

2018년 코넬 연구소가 TMD 실험을 강화하는 동안 또 다른 그래핀의 놀라움은 두 번째 2D 재료 혁명을 일으켰습니다. MIT의 연구원이자 또 다른 Columbia 졸업생인 Pablo Jarillo-Herrero는 한 층의 그래핀을 아래 층에 대해 비틀면 마법의 새로운 2D 물질이 생성된다고 발표했습니다. 그 비결은 육각형이 약간 “비틀어진” 상태로 떨어지도록 위쪽 레이어를 떨어뜨려 아래쪽 육각형에 대해 정확히 1.1도 회전하도록 하는 것이었습니다. 이 각도 정렬 불량은 원자 사이의 오프셋을 유발하여 재료를 가로질러 이동할 때 커지고 수축하여 모아레 초격자로 알려진 큰 “수퍼 셀”의 반복 패턴을 생성합니다. 맥도날드와 동료는 2011년에 1.1도의 “마법의 각도”에서 초격자의 독특한 결정 구조가 그래핀의 전자가 이웃의 반발을 느리게 하고 감지하도록 할 것이라고 계산했습니다.

Merrill Sherman/Quanta Magazine

메릴 셔먼/콴타 매거진

전자가 서로를 인식하면 이상한 일이 발생합니다. 일반 절연체, 도체 및 반도체에서 전자는 원자 격자와만 상호 작용하는 것으로 생각됩니다. 그들은 서로를 알아차리기에는 너무 빨리 뛰어다닌다. 그러나 기어가는 속도가 느려지면 전자는 서로 밀쳐내고 집합적으로 다양한 종류의 이국적인 양자 상태를 가정할 수 있습니다. Jarillo-Herrero의 실험은 제대로 이해되지 않은 이유로 인해 꼬인 마법각 그래핀에서 전자 대 전자 통신이 특히 강력한 형태의 초전도성을 발생시킨다는 것을 보여주었습니다.

그래핀 모아레 초격자는 또한 연구원들에게 전자를 제어하는 ​​근본적이고 새로운 방법을 소개했습니다. 초격자에서 전자는 개별 원자를 무시하고 초세포 자체를 마치 거대한 원자인 것처럼 경험합니다. 이것은 집합적 양자 상태를 형성하기에 충분한 전자로 슈퍼셀을 쉽게 채울 수 있도록 합니다. 전기장을 사용하여 슈퍼셀당 평균 전자 수를 늘리거나 줄임으로써 Jarillo-Herrero의 그룹은 꼬인 이중층 그래핀 장치가 초전도체 역할을 하거나 절연체 역할을 하거나 기타 낯선 전자 거동을 표시하도록 만들 수 있었습니다. .

전 세계의 물리학자들이 “트위스트로닉스”의 초기 분야에 뛰어들었습니다. 그러나 많은 사람들이 비틀기가 어렵다는 것을 알게 되었습니다. 원자는 “마법의” 1.1도 오정렬에 깔끔하게 빠질 이유가 없으므로 시트는 특성을 완전히 바꾸는 방식으로 주름이 집니다. 코넬대 대학원생인 Xia는 다른 대학에 트위스트 장치를 사용하는 친구들이 많이 있다고 말했습니다. 작동하는 장치를 만들려면 일반적으로 수십 번의 시도가 필요합니다. 그럼에도 불구하고 각 장치는 다르게 작동하므로 특정 실험을 반복하는 것이 거의 불가능합니다.

TMD는 훨씬 더 쉬운 방법을 제시합니다. 모아레 초격자를 만듭니다. 서로 다른 TMD에는 크기가 다른 육각형 격자가 있기 때문에 작은 격자 위에 약간 더 큰 육각형의 격자를 쌓으면 각도 오정렬과 동일한 방식으로 모아레 패턴이 생성됩니다. 이 경우 th 때문에 레이어 사이에 회전이 없으면 스택이 제자리에 고정되고 가만히 있을 가능성이 더 큽니다. Xia는 TMD 모아레 장치를 만들려고 할 때 일반적으로 5번 중 4번 성공한다고 말했습니다.

TMD 모아레 재료는 전자 상호 작용을 탐구하기 위한 이상적인 놀이터를 만듭니다. 재료는 반도체이기 때문에 그래핀의 열광적인 전자와 달리 재료를 통과할 때 전자가 무거워집니다. 그리고 거대한 모아레 세포는 그것들을 더욱 느리게 합니다. 전자는 종종 순간이동과 유사한 양자 역학 동작인 “터널링”에 의해 원자 사이를 이동하지만, 슈퍼셀은 내부의 원자보다 대략 100배 더 멀리 떨어져 있기 때문에 모아레 격자에서는 터널링이 거의 발생하지 않습니다. . 거리는 전자가 안정되고 이웃을 알 수 있는 기회를 제공합니다.

Shan과 Mak의 우호적인 라이벌 Feng Wang , TMD 모아레 초격자의 잠재력을 처음으로 인식한 사람 중 하나였습니다. 백 오브 더 엔벨로프(Back-of-the-Envelope) 계산에 따르면 이러한 물질은 전자가 구성할 수 있는 가장 간단한 방법 중 하나를 생성해야 한다고 제안했습니다. 즉, 상호 반발이 무기력한 전자를 제자리에 고정시키는 위그너 결정으로 알려진 상태입니다. Wang의 팀은 2020년에 그러한 상태의 징후를 보았고 2021년에 Nature에 팔 길이로 서로를 잡고 있는 전자의 첫 번째 이미지를 게시했습니다. 그때까지 Wang의 말은 TMD 모아레 활동은 이미 긴밀한 2D 물리학 커뮤니티를 통해 확산되었고 Cornell TMD 공장은 자체적으로 TMD 모아레 장치를 대량 생산하고 있었습니다. Shan과 Mak은 또한 2020년에 TMD 초격자에서 위그너 결정에 대한 증거를 보고했으며 몇 달 안에 장치의 전자가 거의 24가지의 다른 위그너 결정 패턴으로 결정화될 수 있음을 발견했습니다.

동시에 코넬 그룹도 TMD 모아레 재료를 전동 공구로 제작하고 있었습니다. 맥도날드와 협력자들은 2018년에 이러한 장치가 응집 물질 물리학에서 가장 중요한 장난감 모델 중 하나를 완벽하게 나타내도록 하는 기술적 기능의 올바른 조합을 가지고 있다고 예측했습니다. Hubbard 모델은 다양한 전자 거동을 이해하는 데 사용되는 이론화된 시스템입니다. Martin Gutzwiller, Junjiro Kanamori 및 John Hubbard가 1963년에 독립적으로 제안한 이 모델은 물리학자들이 사실상 무한한 다양한 결정 격자를 가장 본질적인 특징까지 제거하려는 최선의 시도입니다. 전자를 호스팅하는 원자 그리드를 상상해보십시오. Hubbard 모델은 각 전자가 두 가지 경쟁적인 힘을 느낀다고 가정합니다. 전자는 인접 원자로 터널링하여 이동하려고 하지만 인접 원자에 의해 반발되기 때문에 제자리에 머물고 싶어합니다. 어떤 욕망이 가장 강한지에 따라 다른 행동이 일어납니다. Hubbard 모델의 유일한 문제는 가장 단순한 경우(1D 원자 문자열)를 제외하고는 수학적으로 해결할 수 없다는 것입니다.

MacDonald와 동료들에 따르면, TMD 모아레 재료는 Hubbard 모델의 “시뮬레이터” 역할을 할 수 있으며, 잠재적으로 전자를 큐프레이트의 초전도 쌍으로 묶는 접착제의 특성과 같은 분야의 가장 깊은 미스터리 중 일부를 해결할 수 있습니다. 불가능한 방정식으로 고심하는 대신, 연구자들은 TMD 샌드위치에 전자를 느슨하게 놓고 그들이 한 일을 볼 수 있습니다. “이 모델을 기록할 수는 있지만 많은 중요한 질문에 답하는 것은 매우 어렵습니다.”라고 MacDonald는 말했습니다. “이제 우리는 실험만 하면 할 수 있습니다. 정말 획기적인 일입니다.”

그들의 Hubbard 모델 시뮬레이터를 구축하기 위해 Shan과 Mak 무아레 초격자를 만들기 위해 이셀렌화 텅스텐과 황화 텅스텐을 적층하고 전극을 부착하여 TMD 샌드위치를 ​​통과하는 전기장을 위아래로 조정했습니다. 전기장은 각 슈퍼셀을 채우는 전자의 수를 제어했습니다. 세포는 거대한 원자처럼 행동하기 때문에 슈퍼셀당 하나의 전자에서 두 개의 전자로 이동하는 것은 수소 원자 격자를 헬륨 원자 격자로 변환하는 것과 같습니다. 2020년 3월 Nature

의 초기 Hubbard 모델 간행물에서 그들은 최대 2개의 전자로 원자를 시뮬레이션한다고 보고했습니다. 오늘, 그들은 8까지 갈 수 있습니다. 어떤 의미에서 그들은 납을 금으로 바꾸는 고대의 목적을 깨달았습니다. “화학을 조정하는 것과 같습니다. 주기율표를 살펴보는 것과 같습니다.”라고 Mak이 말했습니다. 원칙적으로, 그들은 각각 전자가 1.38개 있는 가상의 원자 격자를 만들 수도 있습니다.

다음으로, 그룹 인공 원자의 심장을 바라보았다. 더 많은 전극을 사용하면 거대한 합성 원자의 중심에 양성자를 추가하는 것과 유사한 변화를 일으켜 슈퍼셀의 “잠재력”을 제어할 수 있습니다. 핵의 전하가 많을수록 전자가 터널링하기가 더 어려워지므로 이 전기장은 호핑 경향을 높이거나 낮춥니다.

거대 원자에 대한 Mak과 Shan의 제어, 따라서 Hubbard 모델은 완전했습니다. TMD 모아레 시스템을 사용하면 자연에 존재하지 않는 원자라도 ersatz 원자 격자를 호출하여 원하는 대로 매끄럽게 변형할 수 있습니다. 이 분야의 다른 연구원들에게도 마법에 가까운 힘이다. “그들의 가장 흥미롭고 인상적인 노력을 꼽으라면 바로 그 것입니다.”라고 Kim이 말했습니다.

코넬 그룹 70년 된 논쟁을 해결하기 위해 재빨리 디자이너 원자를 사용했습니다. 질문은 다음과 같습니다. 절연체를 가지고 원자를 조정하여 전도성 금속으로 바꿀 수 있다면 어떨까요? 전환이 점진적으로 일어날 것인가, 갑자기 일어날 것인가?

모아레 연금술로 Shan과 Mak은 실험실에서 사고 실험을 수행했습니다. 먼저 그들은 TMD 초격자가 절연체처럼 작용하도록 전자를 가두는 무거운 원자를 시뮬레이션했습니다. 그런 다음 그들은 원자를 수축시켜 전자가 자유로 뛸 수 있을 때까지 덫을 약화시켜 초격자를 전도성 금속으로 만들었습니다. 초격자가 점점 금속처럼 작용함에 따라 점차적으로 떨어지는 전기 저항을 관찰함으로써, 그들은 전이가 급격하지 않음을 보여주었다. 작년에 Nature에 발표된 이 발견은 초격자의 전자가 오랫동안 추구해오던 유형의 유동성을 얻을 수 있다는 가능성을 열어줍니다. 양자 스핀 액체. “그것이 가장 흥미로운 문제일 것입니다.”라고 Mak이 말했습니다.

거의 동시에 이 부부는 운이 좋았습니다. 일부 물리학자들이 지금까지 발견한 가장 중요한 발견이라고 생각하는 것입니다. Mak은 “실제로 완전한 사고였습니다. “아무도 예상하지 못했습니다.”

Hubbard 시뮬레이터 연구를 시작했을 때 연구원들은 TMD 샌드위치를 ​​사용했습니다. 전이 금속 위에 전이 금속이 있고 칼코게나이드 위에 칼코게나이드가 있는 두 개의 층이 정렬됩니다. (그때 점진적인 절연체에서 금속으로의 전이를 발견했습니다.) 그러던 중 우연히 최상층이 거꾸로 쌓인 장치로 실험을 반복하게 되었습니다.

전과 마찬가지로 전자가 뛰기 시작하면서 저항이 떨어지기 시작했습니다. 그러나 그것은 갑자기 급락하여 너무 낮아져서 연구원들은 모아레가 초전도를 시작했는지 궁금해했습니다. 그러나 더 탐구하면서 그들은 양자 비정상 홀 효과로 알려진 희귀한 저항 패턴을 측정했는데, 이는 더 이상한 일이 일어나고 있다는 증거입니다. 그 효과는 소자의 결정 구조가 재료의 가장자리를 따라 전자가 중앙에 있는 것과 다르게 작용하도록 강요한다는 것을 나타냅니다. 소자 중간에 전자가 절연 상태로 갇혔다. 그러나 주변부에서는 한 방향으로 흐릅니다. 이는 초저 저항을 설명하는 것입니다. 우연히 연구원들은 Chern 절연체로 알려진 매우 이상하고 깨지기 쉬운 유형의 물질을 만들었습니다.

2013년에 처음 관찰된 양자 비정상 홀 효과는 일반적으로 온도가 수백 켈빈 이상으로 상승하면 무너집니다. 2019년 산타 바바라에 있는 Young의 그룹은 약 5 켈빈에서 일회성 꼬인 그래핀 샌드위치에서 그것을 보았습니다. 이제 Shan과 Mak은 거의 동일한 온도에서 효과를 얻었지만 누구나 다시 만들 수 있는 비틀림 없는 TMD 장치에서 효과를 얻었습니다. 영은 “우리 온도는 더 높았지만 10번 연속으로 할 수 있기 때문에 아무 날이나 하겠다”고 말했다. 즉, “실제로 무언가를 수행하는 데 사용할 수 있습니다.” , 그들은 TMD 모아레 재료를 사용하여 50 또는 100켈빈까지 생존하는 Chern 절연체를 만들 수 있습니다. 그들이 성공한다면, 그 작업은 저항 없이 전류를 흐르게 하는 또 다른 방법으로 이어질 수 있습니다. 최소한 작은 “나노와이어”의 경우, 장치 내의 특정 위치에서 켜고 끌 수도 있습니다.

평지 탐험

랜드마크 결과가 쌓여도 두 사람의 속도는 느려질 기미가 보이지 않는다. 내가 방문한 날, Mak은 학생들이 지금까지 작업한 것보다 천 배나 더 낮은 온도로 장치를 식힐 수 있는 높이 솟은 희석 냉장고를 만지작거리고 있는 모습을 바라보았습니다. “따뜻한” 조건에서 발견해야 할 물리학이 너무 많아서 그룹은 초전도의 징후에 대해 더 깊은 극저온 영역을 철저히 조사할 기회가 없었습니다. 슈퍼 냉장고가 TMD를 초전도하게 하면 큐프레이트에 고유한 형태의 자기(그러나 TMD에는 없음)가 전자 결합 접착제의 필수 성분이 아님을 보여주는 또 다른 질문에 답할 수 있습니다. “그것은 이론가들이 오랫동안 정말로 죽이고 싶었던 중요한 구성 요소 중 하나를 죽이는 것과 같습니다.”라고 Mak이 말했습니다.

새 Blue Fors 희석 냉장고 근처에서 실험실 구성원이 채팅합니다.

Sasha Quanta Magazine용 Maslov

그와 Shan과 그들의 그룹은 좀 더 펑키한 TMD에 대한 실험을 시작조차 하지 않았습니다. 2D 재료의 대륙을 이동하는 데 필요한 장비를 발명하는 데 몇 년을 보낸 후, 그들은 마침내 2010년에 착륙했던 이황화몰리콘 교두보를 넘어 모험을 시작할 준비를 하고 있습니다.

두 연구원은 그들의 성공을 컬럼비아에서 흡수한 협력 문화 덕분이라고 말합니다. 몰리 이황화물을 소개한 Hone과의 초기 협력은 그들이 자유롭게 호기심을 따를 수 있었기 때문에 그들이 즐겼던 많은 기회 중 하나일 뿐이라고 그들은 말합니다. Shan은 “우리는 그들의 계획에 대해 연구실의 책임자인 Heinz와 논의할 필요가 없었습니다.”라고 말했습니다. “우리는 다른 그룹의 사람들과 이야기를 나눴습니다. 우리는 실험을 했습니다. 우리는 모든 것을 마무리 지었습니다.”

오늘 그들은 코넬에서 비슷하게 편안한 환경을 조성하여 수십 명의 박사후 연구원을 감독하고, 방문 연구원과 학생들은 모두 자유롭게 자신의 일을 할 수 있습니다. “학생들은 매우 똑똑하고 좋은 아이디어를 가지고 있습니다.”라고 Mak이 말했습니다. “가끔은 간섭하고 싶지 않을 때도 있어요.”

그들의 결혼 생활 또한 그들의 연구실을 독특하게 만듭니다. 두 사람은 각자의 장점에 의지하는 법을 배웠습니다. 실험가로서의 풍부한 창의성 외에도 Shan은 그녀를 훌륭한 관리자로 만드는 세심한 훈련을 가지고 있습니다. 우리 셋이 이야기하는 동안 그녀는 물리학에 대한 열정이 그를 너무 전문적인 분야로 몰아넣었을 때 “Fai 교수”를 궤도로 되돌려 놓곤 했습니다. Mak은 연구실 안팎에서 초기 경력의 연구원들과 함께 일하는 것을 즐깁니다. 그는 최근에 그룹과 함께 암벽 등반을 시작했습니다. “그들의 연구실은 가족인 것 같습니다.”라고 Young이 말했습니다. Shan과 Mak은 혼자보다 함께 할 때 더 많은 것을 성취할 수 있다고 말했습니다. “1 더하기 1은 둘 이상입니다.”라고 Mak이 말했습니다.

그들이 만들고 있는 장치는 부분의 합보다 더 많습니다. 연구원들이 TMD 시트를 결합하여 여기자와 모아레 초격자를 생성하면서 전자를 길들인 새로운 방법이 기술을 과급할 수 있는 방법에 대해 추측합니다. 에브 jw.org ko 주머니에 넣을 수 있는 초전도가 여전히 애매하다면 보스-아인슈타인 응축물은 초고감도 양자 센서로 이어질 수 있고 체른과 같은 절연체의 더 나은 제어는 강력한 양자 컴퓨터를 가능하게 할 수 있습니다. 그리고 그것들은 단지 명백한 아이디어일 뿐입니다. 재료 과학의 점진적인 개선은 종종 거의 찾아볼 수 없는 급진적인 응용에 추가됩니다. 예를 들어, 트랜지스터를 개발한 연구원들은 손톱 크기의 칩에 채워진 수십억 개의 미세한 스위치로 구동되는 스마트폰을 예측하는 데 어려움을 겪었을 것입니다. 그리고 실험실 작업대를 가로질러 빛을 전달할 수 있는 유리 섬유를 만들기 위해 노력한 과학자들은 10,000km에 달하는 해저 광섬유가 언젠가는 대륙을 연결하게 될 것이라고 예상하지 못했습니다. 2차원 물질도 마찬가지로 예측할 수 없는 방향으로 진화할 수 있습니다. Heinz는 “정말 새로운 재료 플랫폼은 기존 재료를 대체하는 것과는 반대로 자체 응용 프로그램을 생성합니다.”라고 말했습니다.

Ithaca 버스 정류장인 Shan과 Mak은 최근 캐나다 밴프로 휴가를 갔을 때의 (그리고 드문) 휴가에 대해 이야기해 주었습니다. 그곳에서 그들은 노력과 운이 합쳐져 놀라움에 다시 한 번 자신의 재능을 보여주었습니다. 그들은 곰을 찾기 위해 며칠을 보냈지만 헛수고였습니다. 그리고 여행을 마치고 공항으로 가는 길에 식물원에 다리를 쭉 뻗고 멈췄다가 흑곰과 마주쳤다.

유사하게, 응집 물질 물리학에서 그들의 접근 방식은 새로운 풍경에서 함께 돌아다니며 무엇이 나타나는지 보는 것입니다. “우리는 이론적인 지침을 많이 가지고 있지 않지만, 우리는 그저 놀고 실험을 하고 있습니다.”라고 Mak이 말했습니다. “실패할 수 있지만 때로는 매우 예상치 못한 일에 부딪힐 수 있습니다.”

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Author: Charlie Wood

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