Два физика открывают для себя магию двух измерений.

В ходе исследования семейства двумерных кристаллов супружеская пара обнаруживает множество новых типов поведения электронов. Комментарий Сохранить статью Прочитать позже

Введение

Молибденит, даже для опытного глаза, выглядит почти идентично графиту — блестящий, серебристый кристалл. Он также ведет себя аналогично, отслаивая чешуйки, как будто их можно использовать в качестве плойки для карандаша. Но для электрона эти две сетки атомов представляют собой разные миры. Это различие впервые было зафиксировано в научных источниках 244 года назад. Карл Шееле, шведский химик, известный своим открытием кислорода, погружал каждый минерал в различные кислоты и наблюдал за клубящимися облаками газа. Шееле, который в конечном итоге поплатился за этот подход жизнью, умерев в 43 года от предполагаемого отравления тяжелыми металлами, пришел к выводу, что молибденит — это новое вещество. Описывая его в письме в Королевскую шведскую академию наук в 1778 году, он писал: «Я имею в виду здесь не общеизвестный графит, который можно приобрести в аптеке. Этот переходный металл, по-видимому, неизвестен».

Благодаря своей способности рассыпаться на порошкообразные фрагменты, молибденит стал популярным смазочным материалом в XX веке. Он помогал лыжам дальше скользить по снегу и сглаживал траекторию вылета пуль из винтовочных стволов во Вьетнаме.

Сегодня эта же непостоянность подпитывает революцию в физике.

Прорыв начался с графита и скотча. В 2004 году исследователи случайно обнаружили, что с помощью скотча можно отслаивать чешуйки графита толщиной всего в один атом. Эти кристаллические листы, каждый из которых представлял собой плоский массив атомов углерода, обладали поразительными свойствами, радикально отличающимися от свойств трехмерных кристаллов, из которых они были получены. Графен (как его назвали первооткрыватели) представлял собой совершенно новую категорию веществ — двумерный материал. Его открытие преобразило физику конденсированных сред, раздел физики, стремящийся понять множество форм и свойств материи. Почти половина всех физиков — физики конденсированных сред; именно эта область подарила нам компьютерные чипы, лазеры, светодиодные лампы, аппараты МРТ, солнечные батареи и всевозможные современные технологические чудеса. После открытия графена тысячи физиков конденсированных сред начали изучать новый материал, надеясь, что он ляжет в основу будущих технологий.

В 2010 году первооткрыватели графена получили Нобелевскую премию по физике. В том же году два молодых физика из Колумбийского университета, Цзе Шань и Кин Фай Мак, увидели признаки того, что чешуйки молибденита могут быть даже более удивительными, чем графен. Этот малоизвестный минерал обладает свойствами, которые затрудняют его изучение — слишком сложными для многих лабораторий, — но он очаровал Шаня и Мака. Этот упорный дуэт посвятил почти десятилетие изучению двумерного молибденита (или дисульфида молибдена, как называется выращенная в лаборатории версия кристалла) и семейства тесно связанных с ним двумерных кристаллов.

Теперь их усилия приносят свои плоды. Шан и Мак, которые теперь женаты и руководят совместной исследовательской группой в Корнельском университете, показали, что двумерные кристаллы дисульфида молибдена и его аналогов могут порождать огромное разнообразие экзотических квантовых явлений. «Это безумная площадка для экспериментов», — сказал Джеймс Хоун, исследователь из Колумбийского университета, который поставляет в лабораторию Корнелла высококачественные кристаллы. «В одной материальной системе можно заниматься всей современной физикой конденсированных сред».

Группа Шана и Мака зафиксировала поведение электронов в этих плоских кристаллах, демонстрирующее беспрецедентные возможности. Им удалось заставить частицы слиться в квантовую жидкость и застыть в различных ледяных структурах. Они научились собирать сетки из гигантских искусственных атомов, которые теперь служат полигонами для проверки фундаментальных теорий материи. С момента открытия своей лаборатории в Корнелле в 2018 году эти мастера по работе с электронами опубликовали поразительные восемь статей в Nature, самом престижном научном журнале, а также множество других работ. Теоретики говорят, что пара расширяет понимание того, на что способны толпы электронов.

«Их исследование впечатляет во многих аспектах», — сказал Филип Ким, видный физик-теоретик из Гарвардского университета. «Я бы сказал, оно сенсационное».

Расцвет двумерных материалов

Свойства материала, как правило, отражают поведение его электронов. В проводниках, таких как металлы, например, электроны легко перемещаются между атомами, перенося электричество. В изоляторах, таких как дерево и стекло, электроны остаются на месте. Полупроводники, такие как кремний, находятся посередине: их электроны могут быть вынуждены двигаться при притоке энергии, что делает их идеальными для включения и выключения тока — задача транзистора. За последние 50 лет, помимо этих трех основных типов поведения электронов, физики конденсированных сред наблюдали, как эти легкие заряженные частицы ведут себя гораздо более экзотическим образом.

Одно из самых впечатляющих открытий произошло в 1986 году, когда два исследователя из IBM, Георг Беднорц и Алекс Мюллер, обнаружили поток электронов, движущихся через кристалл оксида меди («купрата») без какого-либо сопротивления. Эта сверхпроводимость — способность электричества течь с идеальной эффективностью — наблюдалась и раньше, но только по хорошо понятным причинам в материалах, охлажденных до нескольких градусов от абсолютного нуля. На этот раз Беднорц и Мюллер наблюдали загадочную форму этого явления, которая сохранялась при рекордно высокой температуре в 35 кельвинов (то есть на 35 градусов выше абсолютного нуля). Вскоре ученые обнаружили другие купраты, обладающие сверхпроводимостью выше 100 кельвинов. Так родилась мечта, которая, возможно, остается главной целью физики конденсированных сред сегодня: найти или создать вещество, способное проводить электричество сверхпроводящим способом в нашем жарком мире с температурой около 300 кельвинов, что позволит создавать линии электропередачи без потерь, левитирующие транспортные средства и другие сверхэффективные устройства, которые значительно сократят энергетические потребности человечества.

Ключ к сверхпроводимости заключается в том, чтобы заставить электроны, которые обычно отталкиваются друг от друга, объединяться в пары и образовывать сущности, известные как бозоны. Затем бозоны могут коллективно сливаться в квантовую жидкость без трения. Силы притяжения, создающие бозоны, такие как атомные колебания, обычно могут преодолеть отталкивание электронов только при криогенных температурах или высоком давлении. Но необходимость в этих экстремальных условиях препятствовала применению сверхпроводимости в повседневных устройствах. Открытие купратов вселило надежду на то, что подходящая атомная решетка сможет «склеить» электроны настолько прочно, что они останутся связанными даже при комнатной температуре.

Спустя почти 40 лет после открытия Беднорца и Мюллера теоретики до сих пор не до конца понимают, как работает «клей» в купратах, и уж тем более, как модифицировать материалы для его упрочнения. Таким образом, большая часть исследований в физике конденсированных сред представляет собой поиск методом проб и ошибок кристаллов, способных сохранять электронные пары или направлять электроны другими удивительными способами. «Физика конденсированных сред — это раздел физики, который допускает случайные открытия», — сказал Ким. Таковым стало открытие двумерных материалов в 2004 году.

Андрей Гейм и Константин Новоселов, работая с графитом в Манчестерском университете в Великобритании, обнаружили шокирующее следствие слоистой структуры этого материала. Кристалл графита содержит атомы углерода, расположенные в виде слабо связанных слоев шестиугольников. Теоретики долгое время предсказывали, что без стабилизирующего влияния стопки, вызванные нагревом колебания разрушат однослойный лист. Но Гейм и Новоселов обнаружили, что они могут отслаивать стабильные, атомарно тонкие листы, используя лишь скотч и упорство. Графен стал первым по-настоящему плоским материалом — плоскостью, по которой электроны могут скользить, но не вверх и вниз.

Физик из Колумбийского университета Хоун обнаружил, что самый тонкий в мире материал каким-то образом одновременно является и самым прочным. Это стало удивительным открытием для материала, который, по мнению теоретиков, вообще не должен был бы держать форму.

Больше всего физиков в графене заинтриговало то, как плоская углеродная решетка преобразует электроны: ничто не могло их замедлить. Электроны часто сбиваются с пути из-за решетки атомов, через которую они движутся, поскольку она кажется тяжелее своей обычной массы (неподвижные электроны в изоляторе ведут себя так, как будто обладают бесконечной массой). Однако плоская решетка графена позволяла электронам вращаться со скоростью миллион метров в секунду — всего в несколько сотен раз медленнее скорости света. При такой постоянной, головокружительной скорости электроны летели так, как будто не имели никакой массы, что наделило графен чрезвычайно высокой (хотя и не сверхвысокой) проводимостью.

Вокруг этого удивительного материала возникла целая область исследований. Ученые также начали мыслить шире. Могут ли двумерные частицы других веществ обладать собственными сверхспособностями? Хоун был среди тех, кто расширил свои горизонты. В 2009 году он измерил некоторые механические свойства двойника графита, дисульфида молибдена, а затем передал кристалл двум специалистам по оптике в лаборатории Тони Хайнца в Колумбийском университете. Это был случайный шаг, который изменил карьеру всех, кто был в этом замешан.

Образец дисульфида молибдена попал в руки Цзе Шань, приглашенного профессора в начале своей карьеры, и Кин Фай Мака, аспиранта. Молодая пара изучала взаимодействие графена со светом, но уже начала мечтать о других материалах. Быстрые электроны графена делают его фантастическим проводником, но им нужен был двумерный полупроводник — материал, поток электронов которого можно было бы включать и выключать, и который, следовательно, мог бы служить транзистором.

Нажимая кнопку просмотра этого видео, вы соглашаетесь с нашей политикой конфиденциальности.

Дисульфид молибдена был известен как полупроводник. Шан и Мак вскоре обнаружили, что, подобно графиту, он приобретает дополнительные свойства в двумерном пространстве. Когда они направили лазер на трехмерные кристаллы «дисульфида молибдена» (как они ласково его называют), кристаллы оставались темными. Но когда Шан и Мак оторвали слои скотчем, облучили их лазером и исследовали под микроскопом, они увидели, как двумерные листы ярко светятся.

Исследования других групп позже подтвердили, что хорошо изготовленные листы из близкородственного материала отражают каждый фотон, попадающий на них. «Это просто поразительно», — сказал Мак недавно, когда я встретился с ним и Шаном в их общем кабинете в Корнелле. «У вас есть всего лишь один лист атомов, и он может отражать 100% света, как идеальное зеркало». Они поняли, что это свойство может привести к созданию впечатляющих оптических устройств.

Независимо от этого, Фэн Ван, физик из Калифорнийского университета в Беркли, сделал то же открытие. Двумерный материал, обладающий высокой отражательной способностью и являющийся к тому же полупроводником, привлек внимание научного сообщества. Обе группы опубликовали свои результаты в 2010 году; с тех пор их статьи получили более 16 000 цитирований. «Все, кто работает с лазерами, начали проявлять большой интерес к двумерным материалам», — сказал Хоун.

Идентифицировав дисульфид молибдена как второй чудо-материал в двумерной области, две группы исследователей открыли целый континент двумерных материалов. Дисульфид молибдена принадлежит к семейству веществ, известных как дихалькогениды переходных металлов (ДПМ), в которых атомы из металлической средней области периодической таблицы, такие как молибден, соединяются с парами химических соединений, известных как халькогениды, например, сера. Дисульфид молибдена — единственный встречающийся в природе ДПМ, но существуют десятки других, которые исследователи могут синтезировать в лабораториях — дисульфид вольфрама, дителлурид молибдена и так далее. Большинство из них образуют слабосвязанные листы, что делает их уязвимыми для использования в качестве основы для клейкой ленты.

Однако первоначальная волна энтузиазма вскоре утихла, поскольку исследователям стало трудно заставить TMD делать что-то большее, чем просто светиться. Группа Ванга, например, вернулась к графену после того, как обнаружила, что к дисульфиду молибдена нелегко прикрепить металлические электроды. «Это было камнем преткновения для нашей группы в течение нескольких лет», — сказал он. «Даже сейчас нам не очень хорошо удается устанавливать контакт». Казалось, что главное преимущество TMD перед графеном одновременно являлось и их самым большим недостатком: для изучения электронных свойств материала исследователям часто приходится вводить в него электроны и измерять сопротивление результирующего тока. Но поскольку полупроводники являются плохими проводниками, трудно ввести или вывести электроны.

Поначалу Мак и Шан испытывали двойственные чувства. «Было совершенно непонятно, стоит ли нам продолжать работать над графеном или начать работать над этим новым материалом», — сказал Мак. «Но поскольку мы обнаружили, что он обладает этим замечательным свойством, мы продолжили проводить еще несколько экспериментов».

В процессе работы два исследователя все больше увлекались дисульфидом молибдена и друг другом. Первоначально их общение носило профессиональный характер и ограничивалось в основном электронными письмами, посвященными исследованиям. «Фай часто спрашивал: „Где это оборудование? Куда ты его положил?“», — сказала Шан. Но в конце концов их отношения, зародившиеся благодаря долгим рабочим часам и подкрепленные экспериментальными успехами, переросли в романтические. «Мы просто слишком часто виделись, буквально в одной лаборатории, работая над одним и тем же проектом», — сказал Мак. «Успешный проект также радовал нас».

Вся физика всегда и везде

Для того чтобы взять под контроль проблемные устройства для лечения дисфункции височно-нижнечелюстного сустава, потребуется сотрудничество двух преданных своему делу физиков с железной дисциплиной.

Шан всегда легко осваивала учебу. Выросшая в 1970-х годах в прибрежной провинции Чжэцзян, она была отличницей, преуспевая в математике, естественных науках и языках, и получила заветное место в Китайском университете науки и технологий в Хэфэе. Там она прошла отбор в престижную программу культурного обмена между Китаем и Советским Союзом и с радостью воспользовалась возможностью изучать русский язык и физику в Московском государственном университете. «В подростковом возрасте ты стремишься исследовать мир, — сказала она. — Я не колебалась».

Сразу же она увидела мир гораздо больше, чем ожидала. Проблемы с визой задержали ее приезд в Россию на несколько месяцев, и она потеряла место в языковой программе. Власти нашли ей другой курс, и вскоре после приземления в Москве она села на поезд и проехала 5000 километров на восток. Три дня спустя она прибыла в город Иркутск, расположенный в центре Сибири, на пороге зимы. «Мне посоветовали: „Никогда, ни при каких обстоятельствах не прикасайтесь ни к чему без перчаток“», — сказала она, опасаясь застрять. 

Шан не снимала перчатки, выучила русский язык за один семестр и научилась ценить суровую красоту зимнего пейзажа. Когда учеба закончилась и снег растаял, она вернулась в столицу, чтобы начать обучение на физическом факультете, прибыв в Москву весной 1990 года, в разгар распада Советского Союза.

Это были хаотичные годы. Шан видела, как танки катились по улицам возле университета, пока коммунисты пытались вернуть контроль над правительством. В другой раз, сразу после выпускного экзамена, вспыхнули бои. «Мы слышали выстрелы, и нам сказали выключить свет в общежитии», — сказала она. Все, от еды до туалетной бумаги, распределялось по системе купонов. Тем не менее, Шан была вдохновлена стойкостью своих профессоров, которые продолжали свои исследования, несмотря на беспорядки. «Условия были тяжелыми, но у многих ученых было такое отношение. Они действительно любят то, что делают, несмотря ни на что», — сказала она.

Когда мировой порядок рушился, Шан проявила себя с лучшей стороны, опубликовав теоретическую статью по оптике, которая привлекла внимание Хайнца в Колумбийском университете. Он посоветовал ей подать заявку, и она переехала в Нью-Йорк, где время от времени помогала другим иностранным студентам освоиться в чужой стране. Например, она пригласила Ванга работать в лаборатории Хайнца и делилась с ним советами по экспериментам. «Она научила меня терпению, — сказал он, — и тому, как не расстраиваться из-за лазера».

Большинство исследователей после получения докторской степени занимают постдокторскую должность, но Шан в 2001 году сразу же пришла в Университет Кейс Вестерн Резерв в качестве доцента. Несколько лет спустя, во время творческого отпуска, она вернулась в лабораторию Хайнца в Колумбийском университете. На этот раз ей повезло. Она начала сотрудничать с обаятельным и полным энтузиазма аспирантом из группы Хайнца, Кин Фай Маком.

Мак проделал другой, менее бурный путь в Нью-Йорк. Выросший в Гонконге, он испытывал трудности в школе, поскольку мало что, кроме физики, имело для него смысл. «Это было единственное, что мне нравилось и в чем я действительно преуспевал, поэтому я выбрал физику», — сказал он.

Его студенческие исследования в Гонконгском университете науки и технологий выделялись, и Хайнц пригласил его в бурно развивающуюся программу физики конденсированных сред в Колумбийском университете. Там он с головой погрузился в исследования, проводя почти все свое время в лаборатории, за исключением редких игр в университетский футбол. Андреа Янг, его коллега по аспирантуре (ныне профессор Калифорнийского университета в Санта-Барбаре), снимала квартиру с Маком на Западной 113-й улице. «Мне повезло, если я могла застать его в два часа ночи, чтобы приготовить пасту и поговорить о физике. Все время мы говорили только о физике», — сказала Янг.

Но хорошие времена длились недолго. Вскоре после поездки в амазонские тропические леса Колумбии с Янгом Мак заболел. Врачи не знали, что и думать о его загадочных результатах анализов, и ему становилось все хуже. Счастливое совпадение спасло ему жизнь. Янг описал ситуацию своему отцу, исследователю в области медицины, который сразу же распознал признаки апластической анемии — необычного заболевания крови, которое, как оказалось, было предметом его собственных исследований. «Во-первых, это очень редкое заболевание, — сказал Мак. — А во-вторых, еще реже встречается заболевание, в котором отец твоего соседа по комнате является экспертом».

Отец Янга помог Маку записаться на экспериментальное лечение. Большую часть последнего года обучения в аспирантуре он провел в больнице и несколько раз был на грани смерти. На протяжении всего этого испытания страсть Мака к физике заставляла его продолжать работать. «Он писал письма в PRL, лежа на больничной койке», — сказал Янг, имея в виду журнал Physical Review Letters. «Несмотря на все это, он был одним из самых продуктивных студентов за всю историю», — сказал Хайнц. «Это было своего рода чудо».

Дальнейшее лечение в конечном итоге помогло Маку полностью выздороветь. Янг, сам известный экспериментатор, позже пошутил по поводу своих вмешательств: «В кругу друзей я называю это своим величайшим вкладом в физику».

В двухмерную дикую природу

В 2012 году Мак перешел в Корнеллский университет в качестве постдокторанта, к тому времени Шан уже вернулся в Университет Кейс Вестерн. Они занимались индивидуальными проектами с использованием графена и других материалов, но также продолжали вместе раскрывать новые секреты TMD.

В Корнелле Мак освоил искусство измерения электронного транспорта — еще один основной способ определения движения электронов, помимо оптики. Этот опыт сделал его и Шаня универсальными специалистами в области, где исследователи обычно специализируются на одном или другом типе исследований. «Всякий раз, когда я встречаюсь с Фаем и Цзе, я жалуюсь: „Несправедливо, что вы занимаетесь транспортом“, — говорит Ким. — А что мне делать?»

Чем больше дуэт узнавал о TMD, тем больше их это интриговало. Исследователи обычно сосредотачиваются на одном из двух свойств электронов: их заряде и спине (или собственном угловом моменте). Управление потоком электрического заряда является основой современной электроники. А изменение спина электронов может привести к созданию устройств «спинтроники», которые позволяют упаковывать больше информации в меньшем объеме. В 2014 году Мак помог обнаружить, что электроны в двумерном дисульфиде молибдена могут приобретать особое, третье свойство: эти электроны должны двигаться с определенным импульсом, управляемым свойством, известным как «долина», которое, по мнению исследователей, может породить еще одну область — технологию «долины».

В том же году Мак и Шан выявили еще одну поразительную особенность дихалькогенидов переходных металлов (TMD). Электроны — не единственные объекты, движущиеся в кристалле; физики также отслеживают «дырки» — вакансии, образующиеся при перемещении электронов в другие места. Эти дырки могут перемещаться по материалу подобно реальным положительно заряженным частицам. Положительная дырка притягивает отрицательный электрон, образуя мимолетное взаимодействие, известное как экситон, в момент перед тем, как электрон заполнит дырку. Шан и Мак измерили притяжение между электронами и дырками в двумерном диселениде вольфрама и обнаружили, что оно в сотни раз сильнее, чем в типичном трехмерном полупроводнике. Это открытие намекнуло на то, что экситоны в TMD могут быть особенно устойчивыми, и что в целом электроны с большей вероятностью будут вести себя самым разным образом.

Супруги устроились на работу в Университет штата Пенсильвания и основали там лабораторию. Убедившись, что исследования в области ВНЧС стоят того, чтобы вложить в них свои силы, они сделали эти материалы основным направлением работы своей новой группы. А ещё они поженились.

Тем временем команда Хоуна в Колумбийском университете обнаружила, что свойства графена становятся еще более экстремальными, когда они поместили его поверх высококачественного изолятора — нитрида бора. Это был ранний пример одного из самых новаторских аспектов двумерных материалов: их способности к наслаиванию.

Если положить один двумерный материал поверх другого, слои окажутся на расстоянии доли нанометра друг от друга — с точки зрения электронов, расстояние между ними будет нулевым. В результате, сложенные друг на друга листы фактически сливаются в одно вещество. «Это не просто два материала, соединенных вместе, — сказал Ван. — Вы действительно создаете новый материал».

В то время как графен состоит исключительно из атомов углерода, разнообразное семейство решеток дихалькогенидов переходных металлов (TMD) вносит десятки дополнительных элементов в процесс укладки. Каждый TMD обладает своими собственными свойствами. Некоторые из них магнитны, другие обладают сверхпроводимостью. Исследователи надеялись на возможность их смешивания и сочетания для создания материалов, объединяющих их свойства.

Но когда группа Хоуна поместила дисульфид молибдена на изолятор, свойства полученной структуры показали незначительные улучшения по сравнению с тем, что они наблюдали в графене. В конце концов они поняли, что не проверили качество кристаллов TMD. Когда они попросили коллег поместить свой дисульфид молибдена под микроскоп, способный различать отдельные атомы, они были ошеломлены. Некоторые атомы оказались не на своих местах, а другие полностью исчезли. До 1 из 100 узлов решетки имели какие-то проблемы, препятствуя способности решетки направлять электроны. Графен, по сравнению с ним, был образцом совершенства, примерно с одним дефектом на миллион атомов. «Мы наконец поняли, что то, что мы покупали, было полным мусором», — сказал Хоун.

Примерно в 2016 году он решил заняться выращиванием дихалькогенидов переходных металлов исследовательского качества. Он нанял научного сотрудника, Даниэля Роудса, имевшего опыт выращивания кристаллов путем плавления порошков сырья при чрезвычайно высоких температурах с последующим очень медленным охлаждением. «Это как выращивать леденцы из сахара в воде», — объяснил Хоун. Новый процесс занимал месяц, по сравнению с несколькими днями при использовании коммерческих методов. Но он позволял получать кристаллы дихалькогенидов переходных металлов в сотни и тысячи раз лучше, чем те, что продаются в химических каталогах.

Прежде чем Шан и Мак смогли воспользоваться преимуществами всё более чистых кристаллов Хоуна, им пришлось столкнуться с не самой приятной задачей — выяснить, как работать с микроскопическими чешуйками, которые не любят принимать электроны. Чтобы закачать электроны (основа метода переноса, который Мак освоил ещё будучи постдокторантом), пара одержимо изучала бесчисленные детали: какой тип металла использовать для электрода, на каком расстоянии от TMD его разместить, и даже какие химические вещества использовать для очистки контактов. Пробовать бесконечные способы создания электродов было медленно и трудоёмко — «длительный процесс постепенного усовершенствования того или иного», — сказал Мак.

Они также потратили годы на разработку способа извлечения и укладки микроскопических чешуек, размер которых составляет всего несколько десятых долей миллионного метра. Благодаря этой возможности, а также кристаллам Хоуна и улучшенным электрическим контактам, в 2018 году все сложилось воедино. Супруги переехали в Итаку, штат Нью-Йорк, чтобы занять новые должности в Корнелле, и из их лаборатории хлынул поток новаторских результатов.

Прорывы в Корнелле

«Сегодня почему-то все трудно поднять», — сказала Чжэнчао Ся, аспирантка из группы Мака и Шаня, когда темный силуэт чешуйки нитрида бора грозил отслоиться и упасть обратно на кремниевую поверхность. Лист, напоминающий по форме Мадагаскар, слабо держался за кусок графита, похожий на Саудовскую Аравию, подобно тому как бумага прилипает к потрескивающей поверхности недавно протертого воздушного шарика. Графит, в свою очередь, прилип к липкой каплевидной пластиковой пластинке, прикрепленной к стеклянной пластине. Ся использовала компьютерный интерфейс для управления моторизованной подставкой, удерживающей пластину. Подобно тому, как посетитель игрового зала управляет автоматом с клешней с помощью джойстика, она осторожно поднимала стопку в воздух со скоростью одна пятая миллионной доли метра за щелчок мыши, пристально глядя на монитор компьютера, чтобы убедиться, что ей удалось захватить чешуйку нитрида бора.

Ей это удалось. Еще несколько щелчков — и двухслойная структура отделилась, Ся быстро, но целенаправленно перенесла хлопья на третий материал, содержащий многочисленные металлические электроды. Еще несколько щелчков — и она нагрела поверхность, расплавив пластиковый клей слайда, прежде чем кто-либо из нас успел смахнуть микроскопическое устройство.

«Мне постоянно снится кошмар, что оно просто исчезает», — сказала она.

Ся потратила больше часа на сборку нижней половины простого устройства — аналога бутерброда с арахисовым маслом и джемом. Она показала мне еще одну конструкцию, которую недавно собрала, и быстро перечислила несколько ингредиентов, среди которых были диселенид вольфрама и дителлурид молибдена. Это устройство, напоминающее Дагвуда, было одним из десятков микроскопических «сэндвичей», которые она сконструировала и изучила за последний год, и состояло из целых 10 слоев, на сборку которых ушло несколько часов.

Такое послойное соединение двумерных материалов, которое также практикуется в лабораториях Колумбийского университета, Массачусетского технологического института, Беркли, Гарварда и других учреждений, представляет собой воплощение давней мечты физиков-теоретиков конденсированных сред. Исследователи больше не ограничены материалами, найденными в земле или медленно выращиваемыми в лаборатории. Теперь они могут играть с атомным эквивалентом кубиков Лего, соединяя листы для создания уникальных структур с желаемыми свойствами. Когда дело доходит до сборки структур TMD, мало кто продвинулся так далеко, как группа из Корнеллского университета.

Первое крупное открытие Мака и Шана в Корнелле касалось экситонов — прочно связанных электронно-дырочных пар, которые они наблюдали в дихалькогенидах переходных металлов еще в 2014 году. Экситоны интригуют физиков, поскольку эти «квазичастицы» могут предложить окольный путь к достижению извечной цели физики конденсированных сред: сверхпроводимости при комнатной температуре.

Экситоны подчиняются тем же причудливым правилам, что и электрон-электронные пары; эти электрон-дырочные пары также становятся бозонами, что позволяет им «конденсироваться» в общее квантовое состояние, известное как бозе-эйнштейновский конденсат. Эта когерентная совокупность квазичастиц может проявлять квантовые свойства, такие как сверхтекучесть — способность течь без сопротивления. (Когда сверхтекучая жидкость проводит электрический ток, она становится сверхпроводящей.)

Но в отличие от отталкивающихся электронов, электроны и дырки любят взаимодействовать. Исследователи говорят, что это потенциально делает их взаимодействие более прочным. Проблемы сверхпроводимости на основе экситонов заключаются в том, чтобы предотвратить заполнение дырки электроном и обеспечить протекание электрического тока между электрически нейтральными парами — и всё это в максимально тёплом помещении. Пока что Мак и Шан решили первую проблему и разработали план решения второй.

Облака атомов можно заставить образовывать конденсаты, охлаждая их до температуры чуть выше абсолютного нуля с помощью мощных лазеров. Но теоретики давно подозревали, что конденсаты экситонов могут образовываться при более высоких температурах. Группа из Корнеллского университета воплотила эту идею в жизнь с помощью своих многослойных дихалькогенидов переходных металлов (TMD). Используя двухслойную структуру, они поместили дополнительные электроны в верхний слой и удалили электроны из нижнего, оставив дырки. Электроны и дырки образовывали пары, создавая долгоживущие экситоны, поскольку электронам трудно перескочить на противоположный слой, чтобы нейтрализовать своих партнеров. В октябре 2019 года группа сообщила о признаках образования экситонного конденсата при комфортной температуре в 100 кельвинов. В этой установке экситоны существовали в течение десятков наносекунд, что является временем жизни для этого типа квазичастиц. Осенью 2021 года группа описала усовершенствованный аппарат, в котором экситоны, по-видимому, существуют в течение миллисекунд, что Мак назвал «практически вечностью».

В настоящее время команда занимается реализацией схемы, разработанной теоретиками в 2008 году для создания экситонного тока. Аллан Макдональд, видный теоретик конденсированных сред из Техасского университета в Остине, и его аспирант Чонг-Чжун Су предложили заставить нейтральные экситоны течь, применив электрическое поле, ориентированное таким образом, чтобы электроны и дырки двигались в одном направлении. Чтобы осуществить это в лаборатории, группе из Корнелла снова предстоит столкнуться со своим извечным врагом — электрическими контактами. В данном случае им необходимо прикрепить к слоям TMD несколько наборов электродов: одни для создания экситонов, другие для их перемещения.

Шан и Мак считают, что в скором времени им удастся добиться генерации экситонов при температуре до 100 кельвинов. Это очень низкая температура для человека (−173 градуса Цельсия или −280 градусов Фаренгейта), но это огромный шаг вперед по сравнению с нанокельвиновыми условиями, необходимыми для большинства бозонных конденсатов.

«Само по себе это будет неплохим достижением, — сказал Мак с хитрой улыбкой, — повысить температуру в миллиард раз».

Волшебные муаровые материалы

В 2018 году, пока лаборатория Корнеллского университета наращивала свои эксперименты с TMD, еще один сюрприз, связанный с графеном, положил начало второй революции в области двумерных материалов. Пабло Харильо-Эрреро, исследователь из Массачусетского технологического института и еще один выпускник Колумбийского университета, объявил, что скручивание одного слоя графена относительно нижележащего слоя создает волшебный новый двумерный материал. Секрет заключался в том, чтобы опустить верхний слой таким образом, чтобы его шестиугольники оказались с небольшим «поворотом», то есть повернутыми ровно на 1,1 градуса относительно шестиугольников ниже. Это смещение угла вызывает смещение между атомами, которое увеличивается и уменьшается по мере перемещения по материалу, создавая повторяющийся узор из больших «сверхъячеек», известный как муаровая сверхрешетка. Макдональд и его коллега еще в 2011 году рассчитали, что при «магическом угле» в 1,1 градуса уникальная кристаллическая структура сверхрешетки заставит электроны графена замедлиться и почувствовать отталкивание своих соседей.

Когда электроны начинают «чувствовать» друг друга, происходят странные вещи. В обычных изоляторах, проводниках и полупроводниках считается, что электроны взаимодействуют только с решеткой атомов; они движутся слишком быстро, чтобы заметить друг друга. Но, замедлившись до черепашьей скорости, электроны могут толкать друг друга и коллективно принимать множество экзотических квантовых состояний. Эксперименты Харильо-Эрреро продемонстрировали, что по плохо изученным причинам эта электрон-электронная коммуникация в скрученном графене с «магическим углом» приводит к особенно сильной форме сверхпроводимости.

Сверхрешетка муарового типа на основе графена также открыла исследователям принципиально новый способ управления электронами. В сверхрешетке электроны перестают взаимодействовать с отдельными атомами и воспринимают сами сверхъячейки так, как если бы они были гигантскими атомами. Это позволяет легко заполнить сверхъячейки достаточным количеством электронов для образования коллективных квантовых состояний. Используя электрическое поле для регулирования среднего числа электронов в сверхъячейке, группа Харильо-Эрреро смогла заставить свое устройство из скрученного двухслойного графена выступать в качестве сверхпроводника, изолятора или демонстрировать множество других, более странных электронных свойств.

Физики по всему миру бросились в зарождающуюся область «твистроники». Но многие обнаружили, что скручивание — сложная задача. Атомы не могут точно выровняться в «магическом» положении с отклонением в 1,1 градуса, поэтому листы сминаются таким образом, что полностью меняют свои свойства. Ся, аспирантка Корнельского университета, сказала, что у нее много друзей в других университетах, работающих с устройствами, использующими скручивание. Создание работающего устройства обычно требует десятков попыток. И даже тогда каждое устройство ведет себя по-разному, поэтому конкретные эксперименты практически невозможно повторить.

Диполь-модификаторы туннельных магнитов (TMD) представляют собой гораздо более простой способ создания муаровых сверхрешеток. Поскольку разные TMD имеют гексагональные решетки разных размеров, наложение решетки из немного больших шестиугольников на решетку меньшего размера создает муаровый узор точно так же, как и смещение углов. В этом случае, поскольку между слоями нет вращения, стопка с большей вероятностью зафиксируется на месте и останется неподвижной. По словам Ся, когда она пытается создать устройство с муаровым эффектом на основе TMD, ей обычно это удается в четырех случаях из пяти.

Муаровые материалы на основе дихалькогенидов переходных металлов (TMD) представляют собой идеальную площадку для исследования электронных взаимодействий. Поскольку эти материалы являются полупроводниками, их электроны становятся тяжелее, перемещаясь внутри материала, в отличие от бешено движущихся электронов в графене. А гигантские муаровые ячейки еще больше замедляют их: в то время как электроны часто перемещаются между атомами путем «туннелирования» — квантово-механического поведения, подобного телепортации, — туннелирование редко происходит в муаровой решетке, поскольку суперъячейки расположены примерно в 100 раз дальше друг от друга, чем атомы внутри них. Расстояние помогает электронам стабилизироваться и дает им возможность познакомиться со своими соседями.

Дружелюбный соперник Шаня и Мака, Фэн Ван, был одним из первых, кто распознал потенциал сверхрешеток муара из дихалькогенидов переходных металлов (TMD). Приблизительные расчеты показали, что эти материалы должны приводить к одному из простейших способов организации электронов — состоянию, известному как кристалл Вигнера, где взаимное отталкивание фиксирует вялые электроны на месте. Команда Вана обнаружила признаки таких состояний в 2020 году и опубликовала первое изображение электронов, удерживающих друг друга на расстоянии вытянутой руки, в журнале Nature в 2021 году. К тому времени информация об исследованиях Вана в области муара из TMD уже распространилась в тесно связанном сообществе физиков двумерных материалов, и Корнелльская фабрика TMD начала выпускать собственные устройства на основе муара из TMD. Шань и Мак также сообщили о наличии кристаллов Вигнера в сверхрешетках из TMD в 2020 году и в течение нескольких месяцев обнаружили, что электроны в их устройствах могут кристаллизоваться почти в двух десятках различных кристаллических структур Вигнера.

В то же время группа исследователей из Корнеллского университета занималась созданием силового инструмента на основе муаровых материалов TMD. Макдональд и его коллеги еще в 2018 году предсказали, что эти устройства обладают необходимым сочетанием технических характеристик, чтобы идеально представлять одну из важнейших упрощенных моделей в физике конденсированных сред. Модель Хаббарда, как ее называют, — это теоретическая система, используемая для понимания широкого спектра поведения электронов. Независимо предложенная Мартином Гутцвиллером, Дзюндзиро Канамори и Джоном Хаббардом в 1963 году, эта модель является лучшей попыткой физиков свести практически бесконечное разнообразие кристаллических решеток к их наиболее существенным характеристикам. Представьте себе сетку атомов, в которых находятся электроны. Модель Хаббарда предполагает, что каждый электрон испытывает две конкурирующие силы: он стремится переместиться путем туннелирования к соседним атомам, но также отталкивается от своих соседей, что заставляет его оставаться на месте. Различное поведение возникает в зависимости от того, какое стремление сильнее. Единственная проблема модели Хаббарда заключается в том, что во всех случаях, кроме простейшего — одномерной цепочки атомов — она математически неразрешима.

По словам Макдональда и его коллег, муаровые материалы на основе дихалькогенидов переходных металлов (TMD) могут выступать в качестве «симуляторов» модели Хаббарда, потенциально решая некоторые из самых глубоких загадок этой области, например, природу «клея», который связывает электроны в сверхпроводящие пары в купратах. Вместо того чтобы бороться с неразрешимой задачей, исследователи могли бы выпустить электроны в «сэндвич» из TMD и посмотреть, что они будут делать. «Мы можем записать эту модель, но ответить на множество важных вопросов очень сложно», — сказал Макдональд. «Теперь мы можем сделать это просто проведя эксперимент. Это действительно прорыв».

Для создания симулятора модели Хаббарда Шан и Мак наслаивали слои диселенида вольфрама и сульфида вольфрама, чтобы создать муаровую сверхрешетку, и прикрепляли электроды для регулировки электрического поля, проходящего через сэндвич из диоксида вольфрама. Электрическое поле контролировало количество электронов, заполняющих каждую сверхъячейку. Поскольку ячейки ведут себя как гигантские атомы, переход от одного электрона к двум электронам на сверхъячейку был подобен преобразованию решетки атомов водорода в решетку атомов гелия. В своей первой публикации о модели Хаббарда в журнале Nature в марте 2020 года они сообщили о моделировании атомов с количеством электронов до двух; сегодня они могут использовать до восьми. В некотором смысле они реализовали древнюю цель превращения свинца в золото. «Это как настройка химии, — сказал Мак, — прохождение по периодической таблице». В принципе, они даже могут создать сетку фиктивных атомов, каждый из которых содержит, скажем, 1,38 электрона.

Затем группа обратилась к ядрам искусственных атомов. С помощью большего количества электродов они смогли контролировать «потенциал» суперъячеек, внося изменения, аналогичные добавлению положительных протонов к центрам гигантских синтетических атомов. Чем больше заряд ядра, тем сложнее электронам туннелировать, поэтому это электрическое поле позволяло им повышать и понижать тенденцию к перескоку.

Мак и Шан полностью освоили управление гигантскими атомами — и, следовательно, моделью Хаббарда. Система муара TMD позволяет им создавать сетку из искусственных атомов, даже тех, которые не существуют в природе, и плавно преобразовывать их по своему желанию. Эта способность, даже для других исследователей в этой области, граничит с магией. «Если бы мне нужно было выделить их самое захватывающее и впечатляющее достижение, то это было бы именно оно», — сказал Ким.

Группа исследователей из Корнеллского университета быстро использовала свои специально разработанные атомы, чтобы разрешить 70-летний спор. Вопрос заключался в следующем: что если взять изолятор и изменить его атомы, чтобы превратить его в проводящий металл? Произойдет ли это изменение постепенно или резко?

С помощью своей муаровой алхимии Шан и Мак провели мысленный эксперимент в своей лаборатории. Сначала они смоделировали тяжелые атомы, которые захватывали электроны, так что сверхрешетка TMD вела себя как изолятор. Затем они уменьшили атомы, ослабляя ловушку, пока электроны не смогли свободно перемещаться, позволяя сверхрешетке стать проводящим металлом. Наблюдая постепенное снижение электрического сопротивления по мере того, как сверхрешетка все больше становилась похожей на металл, они показали, что переход не является резким. Это открытие, о котором они объявили в журнале Nature в прошлом году, открывает возможность того, что электроны сверхрешетки могут достичь давно искомого типа текучести, известного как квантовая спиновая жидкость. «Это может быть самой интересной проблемой, которую можно решить», — сказал Мак.

Практически одновременно супруги совершили то, что некоторые физики считают их самым значительным открытием на сегодняшний день. «Это была чистая случайность, — сказал Мак. — Никто этого не ожидал».

Когда исследователи начали свои исследования с использованием симулятора Хаббарда, они применяли сэндвич-структуры из TMD-металлов, в которых шестиугольники на двух слоях выровнены, причем переходные металлы располагаются один над другим, а халькогениды — над халькогенидами. (Именно тогда они обнаружили постепенный переход от изолятора к металлу.) Затем, совершенно случайно, они повторили эксперимент с устройствами, в которых верхний слой был уложен в обратном порядке.

Как и прежде, сопротивление начало падать, поскольку электроны начали перескакивать. Но затем оно резко упало, достигнув такого низкого уровня, что исследователи задались вопросом, не начала ли муаровая структура сверхпроводиться. Однако, проведя дальнейшие исследования, они измерили редкий характер изменения сопротивления, известный как квантовый аномальный эффект Холла — доказательство того, что происходит нечто еще более странное. Эффект показал, что кристаллическая структура устройства заставляет электроны вдоль края материала вести себя иначе, чем электроны в центре. В середине устройства электроны были захвачены в изоляционном состоянии. Но по периметру они двигались в одном направлении — что объясняет сверхнизкое сопротивление. Случайно исследователи создали чрезвычайно необычный и хрупкий тип вещества, известный как изолятор Черна.

Квантовый аномальный эффект Холла, впервые обнаруженный в 2013 году, обычно исчезает, если температура поднимается выше нескольких сотых кельвина. В 2019 году группа Янга в Санта-Барбаре наблюдала его в уникальном сэндвиче из скрученного графена при температуре около 5 кельвинов. Теперь Шан и Мак добились этого эффекта почти при той же температуре, но в устройстве TMD без скручивания, которое может воспроизвести любой желающий. «Наш результат был получен при более высокой температуре, но я предпочту их результат, потому что они могут повторить его 10 раз подряд», — сказал Янг. Это означает, что его можно понять «и использовать для реальных действий».

Мак и Шан считают, что, немного поэкспериментировав, они смогут использовать муаровые материалы на основе дихалькогенидов переходных металлов для создания изоляторов Черна, выдерживающих температуру до 50 или 100 кельвинов. Если им это удастся, работа может привести к еще одному способу обеспечения протекания тока без сопротивления — по крайней мере, для крошечных «нанопроводов», которые они, возможно, даже смогут включать и выключать в определенных местах внутри устройства.

Исследование Плоского мира

Даже несмотря на то, что результаты исследований становятся все более значительными, пара не собирается сбавлять обороты. В день моего визита Мак наблюдал, как студенты возились с огромным холодильником с разбавлением, который позволил бы им охлаждать свои устройства до температур в тысячу раз ниже тех, с которыми они работали до сих пор. В «более теплых» условиях было сделано так много физических открытий, что у группы не было возможности тщательно исследовать более глубокие криогенные области на предмет признаков сверхпроводимости. Если суперхолодильник позволит TMD-материалам стать сверхпроводящими, это ответит на еще один вопрос, показав, что форма магнетизма, присущая купратам (но отсутствующая в TMD-материалах), не является существенным компонентом электронно-связывающего «клея». «Это все равно что убить один из важных компонентов, который теоретики очень хотели убить в течение долгого времени», — сказал Мак.

Он, Шан и их группа еще даже не начали экспериментировать с некоторыми из самых необычных TMD. После многих лет изобретения оборудования, необходимого для перемещения по континенту двумерных материалов, они наконец-то готовятся отправиться за пределы плацдарма, на котором они обосновались в 2010 году, используя дисульфид молибдена.

Два исследователя объясняют свой успех культурой сотрудничества, которую они усвоили в Колумбийском университете. Первоначальное сотрудничество с Хоуном, благодаря которому они познакомились с дисульфидом молибдена, по их словам, было лишь одной из многих возможностей, которые им предоставились, поскольку они могли свободно следовать своему любопытству. «Нам не нужно было обсуждать» свои планы с Хайнцем, руководителем их лаборатории, — сказал Шан. — «Мы общались с людьми из других групп. Мы проводили эксперименты. Мы даже завершали работу».

Сегодня они создают аналогичную непринужденную атмосферу в Корнелле, где курируют несколько десятков постдокторантов, приглашенных исследователей и студентов, которым, по большей части, предоставлена свобода заниматься своими делами. «Студенты очень умны и у них хорошие идеи, — сказал Мак. — Иногда не хочется вмешиваться».

Их брак также делает их лабораторию уникальной. Они научились опираться на свои сильные стороны. Помимо обилия креативности как экспериментатор, Шан обладает тщательной дисциплиной, что делает её хорошим руководителем; пока мы втроём разговаривали, она часто подталкивала «профессора Фая» обратно на правильный путь, когда его увлечение физикой заставляло его слишком глубоко погружаться в технические детали. Мак, со своей стороны, с удовольствием работает бок о бок с молодыми исследователями, как в лаборатории, так и за её пределами. Недавно он начал заниматься скалолазанием вместе с группой. «Кажется, что их лаборатория — это их семья», — сказал Янг. Шан и Мак сказали мне, что вместе они достигают большего, чем могли бы поодиночке. «Один плюс один — это больше, чем два», — сказал Мак.

Создаваемые ими устройства могут оказаться чем-то большим, чем сумма их частей. Соединяя листы TMD для создания экситонов и муаровых сверхрешеток, исследователи размышляют о том, как новые способы управления электронами могут значительно ускорить развитие технологий. Даже если сверхпроводимость, готовая к использованию в кармане, останется недостижимой, конденсаты Бозе-Эйнштейна могут привести к созданию сверхчувствительных квантовых датчиков, а улучшенный контроль над изоляторами типа Черна может позволить создавать мощные квантовые компьютеры. И это лишь очевидные идеи. Постепенные улучшения в материаловении часто приводят к радикальным применениям, которые мало кто предвидел. Например, исследователям, разработавшим транзистор, было бы трудно предсказать появление смартфонов, работающих на миллиардах микроскопических переключателей, размещенных на чипе размером с ноготь. А ученые, которые пытались создать стекловолокно, способное передавать свет по лабораторному столу, не могли предвидеть, что 10 000-километровые подводные оптические волокна когда-нибудь соединят континенты. Двумерные материалы могут развиваться в столь же непредсказуемых направлениях. «Действительно новая платформа материалов создает собственные области применения, а не вытесняет существующие материалы», — сказал Хайнц.

По дороге к автобусной остановке в Итаке Шан и Мак рассказали мне о недавнем (и редком) отпуске в Банфе, Канада, где они в очередной раз продемонстрировали свою способность неожиданно натыкаться на события, сочетая усилия и удачу. Они несколько дней безуспешно пытались увидеть медведя. Затем, в конце поездки, по пути в аэропорт, они остановились, чтобы размять ноги в ботаническом заповеднике, и оказались лицом к лицу с черным медведем.

Аналогичным образом, в физике конденсированных сред их подход заключается в том, чтобы вместе бродить по новому ландшафту и смотреть, что получится. «У нас не так много теоретических ориентиров, мы просто экспериментируем и играем с экспериментами», — сказал Мак. «Это может не сработать, но иногда можно наткнуться на что-то совершенно неожиданное».

Исправления: 17 августа 2022 г.
В предыдущей версии этой статьи было неверно указано полное название университета, где Кин Фай Мак проводил исследования в рамках бакалавриата, а также его нынешнее звание — Андреа Янг.

Источник: www.quantamagazine.org