물리학 듀오는 2 차원의 마법을 찾습니다

추가 치료는 결국 MAK가 완전히 회복하는 데 도움이되었습니다. 잘 알려진 실험가 인 영은 나중에 그의 개입에 대해 quip 할 것입니다.“친구들 사이에서 나는 그것을 물리학에 가장 큰 기여라고 부릅니다.”

2D 광야로

Mak은 2012 년 박사후 연구원으로 Cornell으로 이사했으며, 그때까지 Shan은 이미 Case Western으로 돌아 왔습니다. 그들은 그래 핀 및 기타 재료로 개별 프로젝트를 추구했지만 TMD의 추가 비밀을 계속 잠금 해제했습니다.

코넬 (Cornell)에서 Mak은 전자 수송 측정의 기술을 배웠습니다. 이 전문 지식으로 인해 연구원들이 일반적으로 한 유형이나 다른 유형을 전문으로하는 분야에서 그를 두 번의 위협으로 만들었습니다. 김씨는“FAI와 Jie를 만날 때마다‘불공평하다. “내가 무엇을해야합니까?”

듀오가 TMD에 대해 더 많이 배울수록 더 흥미로워졌습니다. 연구자들은 일반적으로 전자의 두 가지 특성 중 하나의 전하와 스핀 (또는 본질적인 각 운동량)에 중점을 둡니다. 전하의 흐름을 제어하는 ​​것은 현대 전자 제품의 기초입니다. 전자 스핀을 뒤집는 것은 더 작은 공간에 더 많은 정보를 포장하는 "스핀 트로닉스"장치로 이어질 수 있습니다. 2014 년에 Mak은 2D Moly 이황화 전자의 전자가 특별한 세 번째 속성을 얻을 수 있음을 발견하는 데 도움을주었습니다.이 전자는 특정 양의 운동량으로 움직여야하며 연구자들이“Valleytronics”기술의 세 번째 분야를 생성 할 수있는“밸리”로 알려진 제어 가능한 속성입니다.

같은 해에 Mak과 Shan은 TMD의 또 다른 인상적인 기능을 확인했습니다. 전자가 결정을 통과하는 유일한 개체는 아닙니다. 물리학 자들은 또한 전자가 다른 곳에서 뛰어들 때 생성 된 공석 인“구멍”을 추적합니다. 이 구멍은 실제 긍정적으로 하전 된 입자와 같은 재료를 로밍 할 수 있습니다. 양의 구멍은 전자가 구멍을 막기 전의 순간에 엑시톤으로 알려진 파트너십을 형성하기 위해 음의 전자를 유치합니다. Shan과 Mak은 2D Tungsten Diselenide의 전자와 구멍 사이의 인력을 측정하여 전형적인 3D 반도체보다 수백 배 더 강한 것을 발견했습니다. 이 발견은 TMD의 엑시톤이 특히 강력 할 수 있으며, 일반적으로 전자는 모든 종류의 이상한 일을 할 가능성이 더 높았다는 것을 암시했다.

이 부부는 펜실베이니아 주립 대학에서 함께 위치를 확보하고 그곳에서 실험실을 시작했습니다. 마침내 TMD가 자신의 경력을 베팅 할 가치가 있다고 확신하면서 재료를 새로운 그룹의 초점으로 만들었습니다. 그들은 또한 결혼했다.

한편 컬럼비아의 Hone 팀은 그래 핀의 특성이 고품질 절연체 인 붕소 질화물 위에 놓을 때 더 극단적 인 것을 보았습니다. 그것은 2D 재료의 가장 새로운 측면 중 하나의 초기 예였습니다 :그들의 스택 가능성.

하나의 2D 재료를 다른 2D 재료 위에 놓으면 층은 전자의 관점에서 전혀 거리가없는 나노 미터의 일부를 분리시킵니다. 결과적으로, 쌓인 시트는 하나의 물질로 효과적으로 병합됩니다. 왕은“이것은 두 가지 재료만이 아닙니다. "당신은 정말로 새로운 자료를 만듭니다."

그래 핀이 전적으로 탄소 원자로 구성되는 반면, 다양한 TMD 격자 패밀리는 수십 개의 추가 요소를 스태킹 게임에 가져옵니다. 각 TMD에는 고유 한 고유 능력이 있습니다. 일부는 자기입니다. 기타 초전도. 연구원들은 결합 된 힘과 패션 재료와 혼합하고 일치시키는 것을 고대했습니다.

그러나 Hone의 그룹이 몰리 이황화를 절연체에 배치했을 때, 스택의 특성은 그래 핀에서 본 것과 비교하여 부족한 이득을 나타 냈습니다. 결국 그들은 TMD 결정의 품질을 확인하지 않았다는 것을 깨달았습니다. 그들이 일부 동료들이 개별 원자를 해결할 수있는 현미경으로 몰리 이황화를 붙잡 았을 때, 그들은 기절했다. 일부 원자는 잘못된 장소에 앉았고, 다른 원자는 완전히 빠졌습니다. 100 개의 격자 부위 중 1 개가 약간의 문제가 있었기 때문에 격자가 전자를 지시하는 능력을 방해했습니다. 그래 핀은 이에 비해 완벽의 이미지였으며, 백만 개의 원자 당 대략 1 개의 결함이 있었다. Hone은“우리는 마침내 우리가 구매 한 물건이 완전한 쓰레기라는 것을 깨달았습니다.

2016 년경, 그는 리서치 급 TMD의 성장 사업에 참여하기로 결정했습니다. 그는 박사후 Daniel Rhodes를 모집했으며, 매우 높은 온도에서 원료의 분말을 녹여 빙하 속도로 냉각함으로써 결정을 재배 한 경험이 있습니다. Hone은“물 속의 설탕에서 바위 사탕을 재배하는 것과 같습니다. 새로운 프로세스는 상업적 방법의 며칠에 비해 한 달이 걸렸습니다. 그러나 화학 카탈로그에서 판매되는 것보다 수백 ~ 수천 배 더 나은 TMD 크리스탈을 생산했습니다.

Shan과 Mak이 Hone의 점점 깨끗한 결정을 이용하기 전에 전자를 받아들이기를 원하지 않는 미세한 플레이크로 작업하는 방법을 알아내는 불쾌한 작업에 직면했습니다. 전자 (Mak가 박사후 운송 기술의 기초)를 펌핑하기 위해, 부부는 수많은 세부 사항에 집착했습니다. 전극에 사용할 금속 유형, TMD에서 얼마나 멀리 떨어져 있는지, 접점을 청소하는 데 사용하는 화학 물질조차도 전극을 설정하는 끝없는 방법을 시도해 보는 것은 느리고 힘들었다.

그들은 또한 수년 동안 미세한 조각을 들어 올리고 쌓는 방법을 알아내는 데 몇 년을 보냈으며, 이는 1 백만 분의 1 미터를 가로 질러 1 백만 분의 1 미터를 측정했습니다. 이 능력과 Hone 's Crystals 및 개선 된 전기 접촉으로 2018 년에 모든 것이 함께 모였습니다. 부부는 뉴욕의 Ithaca로 이사하여 코넬에서 새로운 위치를 차지했으며 실험실에서 개척 결과가 쏟아졌습니다.

코넬에서의 획기적인

Mak and Shan 그룹의 대학원생 인 Zhengchao Xia는“오늘날 모든 것이 어떤 이유로 든 모든 이유가 어렵다”고 말했다. 마다가스카르 모양의 시트는 사우디 아라비아와 비슷한 흑연의 덩어리에 매달려 있는데, 종이가 최근 문지른 풍선의 딱딱 거리는 표면에 달라 붙어있을 수 있습니다. 흑연은 그 결과 유리 슬라이드에 부착 된 플라스틱의 끈적 끈적한 탈당에 붙어있었습니다. Xia는 컴퓨터 인터페이스를 사용하여 슬라이드를 움켜 쥐는 전동 스탠드를 지시했습니다. 아케이드 참가자가 조이스틱으로 발톱 기계를 조종 할 수있는 것처럼, 그녀는 마우스 클릭 당 백만 미터의 1/5 분의 1의 속도로 스택을 공기로 들어 올렸습니다.

그녀는 가지고 있었다. 몇 번의 클릭으로 2 층 스택이 자유 로워졌고 Xia는 신속하지만 고의적으로 플레이크를 넓은 금속 전극으로 내장 된 세 번째 재료에 퇴적하기 위해 움직였습니다. 몇 번의 클릭으로 그녀는 표면을 가열하여 미세한 장치를 재채기하기 전에 슬라이드의 플라스틱 접착제를 녹여

"나는 항상이 악몽이 사라지는 것을 가지고있다"고 그녀는 말했다.

처음부터 끝까지 Xia는 간단한 장치의 하단 절반을 조립하는 데 1 시간 이상 걸렸습니다. 그녀는 최근에 그녀가 함께 모은 또 다른 스택을 보여 주었고 TMDS Tungsten Diselenide와 Moly Ditelluride를 포함하여 몇 가지 성분을 덜 냈습니다. 그녀가 작년에 제작하고 연구 한 수십 개의 미세한 샌드위치 중 하나 인이 장치 의이 단점은 무려 10 층을 가지고 있었고 조립하는 데 몇 시간이 걸렸습니다.

콜롬비아의 실험실, 매사추세츠 기술 연구소, 버클리, 하버드 및 기타 기관의 실험실에서도 이루어진 2D 재료의 스태킹은 응축 된 물리학 자의 오랜 꿈의 실현을 나타냅니다. 더 이상 연구원들은 지상에서 발견되거나 실험실에서 천천히 자란 재료로 제한되지 않습니다. 이제 그들은 레고 벽돌과 동등한 원자를 가지고 놀 수 있고, 시트를 묶어 원하는 특성으로 맞춤형 구조를 만들 수 있습니다. TMD 구조를 조립할 때 코넬 그룹까지는 거의 없었습니다.

Cornell에서 Mak과 Shan의 첫 번째 주요 발견은 2014 년에 TMD에서 보았던 강력한 묶인 전자 구멍 쌍 인 흥분에 관한 것이 었습니다. 엑시톤은 물리학 자들이 음모를 발휘할 수 있기 때문에 음모가있는 물리학 자 :복합 물질 물리학의 다년생 목표를 달성하기위한 원형 교차로의 목표를 제공 할 수 있기 때문입니다.

엑시톤은 전자 전자 쌍과 동일한 펑키 규칙에 의해 재생됩니다. 이 전자 구멍 쌍도 보손이되어 Bose-Einstein 응축수로 알려진 공유 양자 상태로 "응축"할 수 있습니다. 준 사파르 의이 일관된 무리는 저항없이 흐르는 능력, 초 유성과 같은 양자 특성을 나타낼 수있다. (초 유체가 전류를 운반 할 때, 초전도.)

그러나 반발 전자와는 달리 전자와 구멍은 결합하는 것을 좋아합니다. 연구원들은 이것이 잠재적으로 접착제를 더 강하게 만든다고 말합니다. 흥분 기반 초전도성에 대한 도전은 전자가 구멍을 채우지 못하게하고 전기 중립 쌍이 전류로 흐르도록하는 데 있습니다. 지금까지 Mak과 Shan은 첫 번째 문제를 해결하고 두 번째 문제를 해결할 계획을 가지고 있습니다.

원자의 구름은 강력한 레이저로 절대 제로 이상의 모발에 냉각하여 응축수를 형성하는 데 동축 될 수 있습니다. 그러나 이론가들은 오랫동안 흥분의 응축수가 더 높은 온도에서 형성 될 수 있다고 의심했다. 코넬 그룹은이 아이디어를 쌓을 수있는 TMD로 현실로 만들었습니다. 2 층 샌드위치를 ​​사용하여 여분의 전자를 상단 층에 넣고 바닥에서 전자를 제거하여 구멍을 남깁니다. 전자와 구멍이 짝을 이루어 전자가 파트너를 중화시키기 위해 반대 층으로 점프하는 데 어려움이 있기 때문에 오래 지속되는 엑시톤을 만듭니다. 2019 년 10 월,이 그룹은 100 개의 켈빈에서 엑시톤 응축수의 징후를보고했습니다. 이 설정에서, 엑시톤은이 유형의 준 입자에 대해 수십 개의 나노초에 대해 지속되었다. 2021 년 가을,이 그룹은 엑시톤이 밀리 초 동안 지속되는 개선 된 장치를 설명했는데, 이는 Mak이“실질적으로 영원히”라고 불렀습니다.

이 팀은 현재 2008 년 이론가들이 흥분을 창출하기 위해 이론가들에 의해 제기 된 계획을 추구하고있다. 오스틴 텍사스 대학교 (University of Texas)의 저명한 요약 이론가 인 앨런 맥도날드 (Allan MacDonald)와 그의 대학원생 정정 SU는 전자와 구멍이 같은 방향으로 움직일 수 있도록 전기장을 적용함으로써 중립적 인 엑시톤 흐름을 만들 것을 제안했다. 실험실에서 꺼내려면 코넬 그룹은 다시 한 번 다년생의 적, 전기 접촉과 어울려야합니다. 이 경우, 여러 세트의 전극 세트를 TMD 층에 부착해야하며, 일부는 엑시톤을 제조하고 다른 일부는 그것들을 움직일 것입니다.

Shan과 Mak은 그들이 곧 100 개의 켈빈에서 엑시톤을 흐르고 있다고 생각합니다. 그것은 사람을위한 끔찍한 공간입니다 (-173도 섭씨 또는 화씨 -280도), 대부분의 보스 닉 응축수가 필요로하는 Nanokelvin 조건에서 큰 도약입니다.

Mak은 교활한 미소로“그 자체로는 좋은 성과가 될 것입니다.

마법의 Moiré 재료

2018 년 Cornell Lab은 TMD 실험을 강화했지만 또 다른 그래 핀 놀라움은 두 번째 2D 재료 혁명을 시작했습니다. MIT의 연구원이자 다른 Columbia Alum의 Pablo Jarillo-Herrero는 아래 층에 대해 하나의 그래 핀 층을 비틀면 마법의 새로운 2D 재료를 만들었다 고 발표했습니다. 비밀은 상부 층을 떨어 뜨려서 헥사가 약간의“트위스트”로 착륙하여 아래의 헥사 폰에 대해 정확히 1.1도 회전하도록하는 것이 었습니다. 이 각도 오정렬은 재료를 가로 질러 움직일 때 자라는 원자 사이에 오프셋을 유발하여 Moiré Superlattice로 알려진 큰 "슈퍼 셀"의 반복 패턴을 생성합니다. MacDonald와 동료는 2011 년에 1.1 도의 "마법 각도"에서 Superlattice의 독특한 결정 구조가 이웃의 반발을 느리게하고 감지하도록 강요 할 것이라고 2011 년에 계산했습니다.

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.