La molibdenite, anche per un occhio esperto, sembra quasi identica alla grafite: un cristallo argentato e brillante. Agisce in modo simile, eliminando le scaglie in un modo che consentirebbe un buon riempimento della matita. Ma per un elettrone, le due griglie di atomi formano mondi diversi. La distinzione è entrata per la prima volta nella documentazione scientifica 244 anni fa. Carl Scheele, un chimico svedese famoso per la sua scoperta dell'ossigeno, immerse ogni minerale in acidi assortiti e osservò le spaventose nubi di gas che fuoriuscivano. Scheele, che alla fine pagò con la vita questo approccio, morendo per sospetto avvelenamento da metalli pesanti a 43 anni, concluse che la molibdenite era una nuova sostanza. Descrivendolo in una lettera all'Accademia reale svedese delle scienze nel 1778, scrisse: “Non mi riferisco qui alla grafite comunemente conosciuta che si può acquistare dal farmacista. Questo metallo di transizione sembra essere sconosciuto”.

Con la sua tendenza a sfaldarsi in frammenti polverosi, la molibdenite è diventata un lubrificante popolare nel 20° secolo. Aiutava gli sci a scivolare più lontano nella neve e facilitava l'uscita dei proiettili dalle canne dei fucili in Vietnam.

Oggi, quella stessa instabilità sta alimentando una rivoluzione della fisica.

Le scoperte sono iniziate con la grafite e il nastro adesivo. I ricercatori hanno scoperto per caso nel 2004 che potevano usare del nastro adesivo per staccare scaglie di grafite spesse solo un atomo. Questi fogli cristallini, ciascuno costituito da una serie piatta di atomi di carbonio, avevano proprietà sorprendenti che erano radicalmente diverse da quelle dei cristalli tridimensionali da cui provenivano. Il grafene (come lo soprannominarono i suoi scopritori) era una categoria di sostanza completamente nuova: un materiale 2D. La sua scoperta ha trasformato la fisica della materia condensata, quella branca della fisica che cerca di comprendere le molteplici forme e comportamenti della materia. Quasi metà tra tutti i fisici ci sono i fisici della materia condensata; è il sottocampo che ci ha portato chip di computer, laser, lampadine a LED, macchine per risonanza magnetica, pannelli solari e ogni sorta di meraviglie tecnologiche moderne. Dopo la scoperta del grafene, migliaia di fisici della materia condensata iniziarono a studiare il nuovo materiale, sperando che potesse sostenere le tecnologie future.

Gli scopritori del grafene hanno ricevuto il Premio Nobel per la fisica nel 2010. Nello stesso anno, due giovani fisici della Columbia University, Jie Shan ed Kin Fai Mak, hanno visto segni che i fiocchi di molibdenite potrebbero essere ancora più magici del grafene. Il minerale meno conosciuto ha proprietà che lo rendono difficile da studiare – troppo difficile per molti laboratori – ma ha affascinato Shan e Mak. Il tenace duo ha dedicato quasi un decennio alla discussione della molibdenite 2D (o disolfuro di molibdeno, come viene chiamata la versione coltivata in laboratorio del cristallo) e di una famiglia di cristalli 2D strettamente correlati.

Ora il loro sforzo sta dando i suoi frutti. Shan e Mak, che ora sono sposati e gestiscono un gruppo di ricerca congiunto presso la Cornell University, hanno dimostrato che i cristalli 2D di disolfuro di molibdeno e i suoi parenti possono dare origine a un'enorme varietà di fenomeni quantistici esotici. "È un parco giochi pazzesco", ha detto James Hone, un ricercatore della Columbia che fornisce cristalli di alta qualità al laboratorio della Cornell. “Puoi fare tutta la moderna fisica della materia condensata in un unico sistema materiale”.

Il gruppo di Shan e Mak ha catturato gli elettroni che si comportano in modi senza precedenti in questi cristalli piatti. Hanno convinto le particelle a fondersi in un fluido quantistico e a congelarsi in un assortimento di strutture simili al ghiaccio. Hanno imparato ad assemblare griglie di giganteschi atomi artificiali che ora servono come banchi di prova per le teorie fondamentali della materia. Dall’apertura del loro laboratorio alla Cornell nel 2018, i maestri domatori di elettroni hanno pubblicato otto articoli strabilianti in Natura, la rivista scientifica più prestigiosa, oltre a una serie di altri articoli. I teorici sostengono che la coppia sta espandendo la comprensione di ciò di cui sono capaci le folle di elettroni.

La loro ricerca “è profondamente impressionante sotto molti aspetti”, ha affermato Filippo Kim, un eminente fisico della materia condensata dell'Università di Harvard. “È, direi, sensazionale.”

Ascesa dei materiali 2D

Gli attributi di un materiale generalmente riflettono ciò che fanno i suoi elettroni. Nei conduttori come i metalli, ad esempio, gli elettroni viaggiano facilmente tra gli atomi, trasportando elettricità. Negli isolanti come legno e vetro, gli elettroni rimangono fermi. I semiconduttori come il silicio si trovano nel mezzo: i loro elettroni possono essere costretti a muoversi con un afflusso di energia, rendendoli ideali per accendere e spegnere le correnti, il compito di un transistor. Negli ultimi 50 anni, oltre a questi tre comportamenti fondamentali degli elettroni, i fisici della materia condensata hanno visto le particelle cariche leggere comportarsi in molti modi più esotici.

Una delle sorprese più drammatiche arrivò nel 1986, quando due ricercatori dell’IBM, Georg Bednorz e Alex Müller, rilevato una corrente di elettroni che si muove attraverso un cristallo di ossido di rame (“cuprato”) senza alcuna resistenza. Questa superconduttività – la capacità dell’elettricità di fluire con perfetta efficienza – era stata osservata in precedenza, ma solo per ragioni ben comprese in materiali raffreddati entro pochi gradi dallo zero assoluto. Questa volta, Bednorz e Müller hanno osservato una forma misteriosa del fenomeno che persisteva alla temperatura record di 35 Kelvin (cioè 35 gradi sopra lo zero assoluto). Gli scienziati presto scoprirono altri cuprati che superconducono sopra i 100 Kelvin. Nacque un sogno che rimane forse l’obiettivo numero uno della fisica della materia condensata oggi: trovare o progettare una sostanza in grado di supercondurre l’elettricità nel nostro mondo caldo, a circa 300 Kelvin, consentendo linee elettriche senza perdite, veicoli levitanti e altri dispositivi iperefficienti che ridurrebbe significativamente il fabbisogno energetico dell’umanità.

La chiave della superconduttività è convincere gli elettroni, che normalmente si respingono, ad accoppiarsi e formare entità note come bosoni. I bosoni possono quindi fondersi collettivamente in un fluido quantistico privo di attrito. Le forze attrattive che creano bosoni, come le vibrazioni atomiche, possono normalmente superare la repulsione degli elettroni solo a temperature criogeniche o alte pressioni. Ma la necessità di queste condizioni estreme ha impedito alla superconduttività di trovare la sua strada nei dispositivi di uso quotidiano. La scoperta dei cuprati ha fatto sperare che il giusto reticolo atomico potesse "incollare" insieme gli elettroni così saldamente da rimanere attaccati anche a temperatura ambiente.

A distanza di 40 anni dalla scoperta di Bednorz e Müller, i teorici non sono ancora del tutto sicuri di come funzioni la colla nei cuprati, tanto meno di come modificare i materiali per rafforzarla. Pertanto, gran parte della ricerca sulla fisica della materia condensata è una caccia per tentativi ed errori ai cristalli che possono mantenere i loro elettroni accoppiati o guidare gli elettroni in altri modi meravigliosi. "La materia condensata è una branca della fisica che permette la serendipità", ha detto Kim. Tale è stata la scoperta nel 2004 dei materiali 2D.

André Geim ed Costantino Novoselov, lavorando con la grafite presso l'Università di Manchester nel Regno Unito, scoperto una conseguenza scioccante della desquamazione del materiale. Un cristallo di grafite contiene atomi di carbonio disposti in fogli di esagoni vagamente legati. I teorici avevano da tempo previsto che senza l’influenza stabilizzante della pila, le vibrazioni indotte dal calore avrebbero spezzato un foglio monostrato. Ma Geim e Novoselov scoprirono che potevano staccare fogli stabili e atomicamente sottili con poco più che nastro adesivo e tenacia. Il grafene è stato il primo materiale veramente piatto: un piano su cui gli elettroni possono scorrere ma non su e giù.

Hone, il fisico della Columbia, ha scoperto che il materiale più sottile del mondo esiste in qualche modo anche il più forte. È stato un notevole sconvolgimento per un materiale che i teorici pensavano non sarebbe stato affatto coerente.

Ciò che più incuriosiva i fisici riguardo al grafene era il modo in cui la pianura del carbonio trasformava gli elettroni: nulla poteva rallentarli. Gli elettroni spesso vengono inciampati nel reticolo di atomi attraverso il quale si muovono, agendo più pesantemente della loro massa da manuale (gli elettroni immobili di un isolante si comportano come se avessero una massa infinita). Il reticolo piatto del grafene, tuttavia, lascia che gli elettroni sfreccino a un milione di metri al secondo, solo poche centinaia di volte più lenti della velocità della luce. A quella velocità costante e incredibile, gli elettroni volavano come se non avessero alcuna massa, donando al grafene un’estrema (sebbene non super) conduttività.

Un intero campo è sorto attorno al materiale meraviglioso. I ricercatori hanno anche iniziato a pensare in modo più ampio. I fiocchi 2D di altre sostanze potrebbero contenere dei superpoteri? Hone era tra coloro che si ramificarono. Nel 2009, ha misurato alcune proprietà meccaniche del doppelgänger della grafite, il disolfuro di molibdeno, quindi ha passato il cristallo a due specialisti ottici nel laboratorio della Columbia di Tony Heinz. È stata una mossa casuale che avrebbe cambiato la carriera di tutte le persone coinvolte.

Il campione di disolfuro di molibdeno è finito nelle mani di Jie Shan, una professoressa in visita all'inizio della sua carriera, e di Kin Fai Mak, uno studente laureato. Il giovane duo stava studiando come il grafene interagisce con la luce, ma avevano già iniziato a sognare ad occhi aperti altri materiali. I veloci elettroni del grafene lo rendono un conduttore fantastico, ma quello che volevano era un semiconduttore 2D, un materiale di cui potessero accendere e spegnere il flusso di elettroni e che potesse quindi fungere da transistor.

Si sapeva che il bisolfuro di molibdeno era un semiconduttore. E Shan e Mak scoprirono presto che, come la grafite, acquisiva poteri aggiuntivi in ​​2D. Quando hanno puntato un laser sui cristalli 3D di “disolfuro di molibdeno” (come lo chiamano affettuosamente), i cristalli sono rimasti scuri. Ma quando Shan e Mak hanno strappato gli strati con del nastro adesivo, li hanno colpiti con un laser e li hanno esaminati al microscopio, hanno visto i fogli 2D brillare brillantemente.

La ricerca di altri gruppi avrebbe poi confermato che fogli ben fatti di un materiale strettamente correlato riflettono fino all’ultimo fotone che li colpisce. "È davvero sconcertante", ha detto Mak di recente, quando ho incontrato lui e Shan nel loro ufficio condiviso alla Cornell. "Hai solo un singolo foglio di atomi e può riflettere il 100% della luce come uno specchio perfetto." Si resero conto che questa proprietà avrebbe potuto portare alla realizzazione di dispositivi ottici spettacolari.

Indipendentemente, Feng Wang, un fisico dell'Università della California, Berkeley, ha fatto la stessa scoperta. Un materiale 2D altamente riflettente e per di più un semiconduttore ha attirato l'attenzione della comunità. Entrambi gruppi hanno pubblicato i loro risultati nel 2010; da allora i documenti hanno ricevuto più di 16,000 citazioni in totale. "Tutti coloro che utilizzano i laser hanno iniziato ad interessarsi molto ai materiali 2D", ha affermato Hone.

Identificando il disolfuro di molibdeno come un secondo materiale miracoloso 2D, i due gruppi sono approdati su un intero continente di materiali 2D. Il disolfuro di molibdeno appartiene a una famiglia di sostanze note come dicalcogenuri di metalli di transizione (TMD), in cui gli atomi della regione metallica centrale della tavola periodica come il molibdeno si collegano con coppie di composti chimici noti come calcogenuri, come lo zolfo. Il disolfuro di molibdeno è l'unico TMD presente in natura, ma esistono altre dozzine che i ricercatori possono creare in laboratorio: disolfuro di tungsteno, ditelluride di molibdeno e così via. La maggior parte forma fogli rilegati debolmente, rendendoli sensibili al lato commerciale di un pezzo di nastro.

L'ondata iniziale di entusiasmo, tuttavia, si è presto attenuata, poiché i ricercatori hanno lottato per far sì che i TMD facessero qualcosa di più che brillare. Il gruppo di Wang, per esempio, è ricorso al grafene dopo aver scoperto che non potevano attaccare facilmente gli elettrodi metallici al disolfuro di molibdeno. “Questo è stato l’ostacolo per il nostro gruppo per diversi anni”, ha detto. “Anche adesso non siamo molto bravi a stabilire contatti”. Sembrava che il principale vantaggio dei TMD rispetto al grafene fosse anche il loro più grande punto debole: per studiare le proprietà elettroniche di un materiale, i ricercatori devono spesso spingervi degli elettroni e misurare la resistenza della corrente risultante. Ma poiché i semiconduttori sono cattivi conduttori, è difficile far entrare o uscire gli elettroni.

Mak e Shan inizialmente si sentivano ambivalenti. “Non era davvero chiaro se dovessimo continuare a lavorare sul grafene o iniziare a lavorare su questo nuovo materiale”, ha detto Mak. "Ma poiché abbiamo scoperto che ha questa proprietà interessante, abbiamo continuato a fare qualche altro esperimento."

Mentre lavoravano, i due ricercatori rimasero sempre più incantati dal disolfuro di molibdeno e l'uno dall'altro. Inizialmente, il loro contatto era professionale, limitato in gran parte alle e-mail incentrate sulla ricerca. “Fai chiedeva spesso: 'Dov'è quell'attrezzatura? Dove l'hai messo?'”, ha detto Shan. Ma alla fine la loro relazione, incubata da lunghe ore e catalizzata dal successo sperimentale, divenne romantica. "Ci vedevamo troppo spesso, letteralmente nello stesso laboratorio a lavorare sullo stesso progetto", ha detto Mak. “Anche il fatto che il progetto abbia funzionato molto bene ci ha reso felici.”

Tutta la fisica in ogni momento

Ci vorrebbe una collaborazione tra due fisici devoti e con una disciplina ferrea per mettere sotto controllo i fastidiosi TMD.

Gli accademici arrivavano sempre facilmente a Shan. Cresciuta negli anni '1970 nella provincia costiera dello Zhejiang, era una studentessa eccezionale, eccellendo in matematica, scienze e lingua e guadagnandosi un posto ambito presso l'Università di Scienza e Tecnologia della Cina a Hefei. Lì si qualificò per un programma selettivo di scambio culturale tra Cina e Unione Sovietica e colse al volo l'opportunità di studiare russo e fisica all'Università statale di Mosca. "Quando sei un adolescente, sei desideroso di esplorare il mondo", ha detto. "Non ho esitato."

Immediatamente, vide del mondo più di quanto si fosse aspettata. I problemi con il visto ritardarono di alcuni mesi il suo arrivo in Russia e lei perse il posto nel programma di lingua. Le autorità le trovarono un'altra rotta e, poco dopo l'atterraggio a Mosca, salì su un treno e viaggiò per 5,000 chilometri verso est. Tre giorni dopo arrivò nella città di Irkutsk, nel mezzo della Siberia, all'inizio dell'inverno. "Il consiglio che ho ricevuto è stato: 'Mai e poi mai toccare nulla senza guanti'", per non rimanere bloccata, ha detto. 

Shan ha tenuto i guanti, ha imparato il russo in un solo semestre e ha imparato ad apprezzare la cruda bellezza del paesaggio invernale. Terminato il corso e sciolta la neve, ritornò nella capitale per iniziare gli studi di fisica, arrivando a Mosca nella primavera del 1990, nel pieno del disfacimento dell'Unione Sovietica.

Furono anni caotici. Shan ha visto i carri armati rotolare per le strade vicino all'università mentre i comunisti cercavano di riprendere il controllo del governo. In un'altra occasione, subito dopo un esame finale, scoppiò una rissa. "Potevamo sentire gli spari e ci è stato detto di spegnere le luci nel dormitorio", ha detto. Tutto, dal cibo alla carta igienica, veniva razionato attraverso un sistema di tagliandi. Tuttavia, Shan si è sentita ispirata dalla resilienza dei suoi professori, che hanno continuato la loro ricerca nonostante le turbolenze. “Le condizioni erano difficili, ma molti scienziati avevano questo tipo di atteggiamento. Amano davvero quello che fanno, nonostante quello che succede", ha detto.

Mentre l'ordine mondiale crollava, Shan si distinse, pubblicando un articolo di ottica teorica che attirò l'attenzione di Heinz alla Columbia. L'ha incoraggiata a fare domanda e lei si è trasferita a New York, dove occasionalmente aiutava altri studenti internazionali a farsi strada in un paese straniero. Ha reclutato Wang per lavorare nel laboratorio di Heinz, ad esempio, e ha condiviso suggerimenti sperimentali. "Mi ha insegnato come essere paziente", ha detto, e "come non sentirmi frustrato dal laser".

La maggior parte dei ricercatori assumono una posizione post-dottorato dopo aver conseguito il dottorato, ma Shan è entrata direttamente alla Case Western Reserve University come professore associato nel 2001. Diversi anni dopo, durante un anno sabbatico, è tornata al laboratorio di Heinz alla Columbia. Per una volta, il suo tempismo è stato fortuito. Ha iniziato a collaborare con uno studente laureato affascinante e dagli occhi brillanti nel gruppo di Heinz, Kin Fai Mak.

Mak aveva seguito un percorso diverso, meno tumultuoso, verso New York City. Cresciuto a Hong Kong, ha avuto difficoltà a scuola, poiché per lui aveva poco senso oltre alla fisica. "Era l'unica cosa che mi piaceva e in cui ero davvero bravo, quindi ho scelto la fisica", ha detto.

La sua ricerca universitaria all'Università di Hong Kong si distinse e Heinz lo reclutò per unirsi al fiorente programma di fisica della materia condensata della Columbia. Lì si dedicò alla ricerca, trascorrendo quasi tutte le ore di veglia in laboratorio, fatta eccezione per l'occasionale partita di calcio intramurale. Andrea Young, un suo compagno di studi (ora assistente professore presso l'Università della California, Santa Barbara), condivideva un appartamento con Mak sulla West 113th Street. “Sono stato fortunato se sono riuscito a trovarlo alle 2 del mattino per cucinare un po' di pasta e parlare di fisica. Era sempre tutta fisica”, ha detto Young.

Ma i bei tempi non durarono. Poco dopo un'escursione nella foresta amazzonica in Colombia con Young, Mak si ammalò. I suoi medici non erano sicuri di cosa pensare dei risultati sconcertanti dei suoi test e lui si ammalò. Una fortunata coincidenza gli salvò la vita. Young descrisse la situazione a suo padre, un ricercatore medico, che riconobbe immediatamente i segni dell'anemia aplastica, un'insolita condizione del sangue che era oggetto delle sue ricerche. "In realtà è davvero raro contrarre questa malattia, prima di tutto", ha detto Mak. "E ancora più raro contrarre una malattia in cui il padre del tuo coinquilino è esperto."

Il padre di Young ha aiutato Mak a iscriversi a trattamenti sperimentali. Ha trascorso gran parte del suo ultimo anno di scuola di specializzazione in ospedale ed è stato più volte vicino alla morte. Durante tutta la dura prova, la passione di Mak per la fisica lo ha spinto a continuare a lavorare. “Stava scrivendo PRL lettere dal suo letto d'ospedale", ha detto Young, riferendosi al diario Physical Review Letters. "Nonostante tutto ciò, è stato uno degli studenti più produttivi di sempre", ha detto Heinz. "È stato una specie di miracolo."

Ulteriori trattamenti alla fine aiutarono Mak a riprendersi completamente. Young, lui stesso un noto sperimentalista, in seguito avrebbe scherzato sui suoi interventi: "Tra amici lo definisco il mio più grande contributo alla fisica".

Nel deserto 2D

Mak è passato alla Cornell come ricercatore post-dottorato nel 2012, quando Shan era già tornata a Case Western. Hanno portato avanti progetti individuali con grafene e altri materiali, ma insieme hanno anche continuato a svelare ulteriori segreti dei TMD.

Alla Cornell, Mak imparò l'arte delle misurazioni del trasporto degli elettroni, l'altro modo principale per predire il movimento degli elettroni, oltre all'ottica. Questa competenza ha reso lui e Shan una doppia minaccia in un campo in cui i ricercatori tipicamente si specializzano in un tipo o nell'altro. "Ogni volta che incontro Fai e Jie mi lamento: 'È ingiusto che voi ragazzi facciate i trasporti'", ha detto Kim. "Cosa dovrei fare?"

Più i due imparavano sui TMD, più diventavano intriganti. I ricercatori in genere si concentrano su una delle due proprietà degli elettroni: la carica e lo spin (o momento angolare intrinseco). Il controllo del flusso di carica elettrica è il fondamento dell’elettronica moderna. E l’inversione dello spin degli elettroni potrebbe portare a dispositivi “spintronici” che racchiudono più informazioni in spazi più piccoli. Nel 2014, Mak ha contribuito a scoprire che gli elettroni nel disolfuro di molibdeno 2D possono acquisire una terza proprietà speciale: questi elettroni devono muoversi con quantità specifiche di quantità di moto, un attributo controllabile noto come “valle” che i ricercatori ipotizzano potrebbe generare ancora un terzo campo della tecnologia “valletronica”.

Nello stesso anno, Mak e Shan identificarono un’altra caratteristica sorprendente dei TMD. Gli elettroni non sono le uniche entità che si muovono attraverso un cristallo; i fisici tengono traccia anche dei “buchi”, i posti vacanti creati quando gli elettroni saltano altrove. Questi buchi possono vagare per un materiale come vere e proprie particelle caricate positivamente. La lacuna positiva attrae un elettrone negativo per formare una relazione fugace, nota come eccitone, nel momento prima che l'elettrone ostruisca la lacuna. Shan e Mak misurato l'attrazione tra gli elettroni e le lacune nel diseleniuro di tungsteno 2D e lo hanno scoperto centinaia di volte più forte che in un tipico semiconduttore 3D. La scoperta ha suggerito che gli eccitoni nei TMD potrebbero essere particolarmente robusti e che in generale gli elettroni hanno maggiori probabilità di fare ogni sorta di cose strane.

La coppia si assicurò una posizione insieme alla Pennsylvania State University e lì aprì un laboratorio. Alla fine convinti che valesse la pena scommettere sulla propria carriera sui TMD, hanno reso i materiali il fulcro del loro nuovo gruppo. Si sono anche sposati.

Nel frattempo, il team di Hone alla Columbia ha visto le proprietà del grafene diventare ancora più estreme quando lo hanno posizionato sopra un isolante di alta qualità, il nitruro di boro. È stato un primo esempio di uno degli aspetti più innovativi dei materiali 2D: la loro impilabilità.

Metti un materiale 2D sopra un altro e gli strati si troveranno a una frazione di nanometro di distanza, nessuna distanza dal punto di vista dei loro elettroni. Di conseguenza, i fogli impilati si fondono effettivamente in un'unica sostanza. "Non si tratta solo di due materiali insieme", ha detto Wang. "Crei davvero un nuovo materiale."

Mentre il grafene è costituito esclusivamente da atomi di carbonio, la variegata famiglia di reticoli TMD introduce decine di elementi aggiuntivi nel gioco dell’impilamento. Ogni TMD ha le sue capacità intrinseche. Alcuni sono magnetici; altri superconduttori. I ricercatori non vedevano l'ora di mescolarli e abbinarli ai materiali della moda con i loro poteri combinati.

Ma quando il gruppo di Hone ha posizionato il disolfuro di molibdeno su un isolante, le proprietà dello stack hanno mostrato guadagni poco brillanti rispetto a quanto avevano visto nel grafene. Alla fine si sono resi conto di non aver controllato la qualità dei cristalli TMD. Quando alcuni colleghi hanno infilato il loro disolfuro di molibdeno sotto un microscopio in grado di risolvere i singoli atomi, sono rimasti sbalorditi. Alcuni atomi si trovavano nel posto sbagliato, mentre altri erano completamente scomparsi. Ben 1 su 100 siti del reticolo presentavano qualche problema, impedendo la capacità del reticolo di dirigere gli elettroni. Il grafene, in confronto, era l’immagine della perfezione, con circa un difetto per milione di atomi. "Alla fine ci siamo resi conto che la roba che stavamo comprando era completa spazzatura", ha detto Hone.

Intorno al 2016, ha deciso di dedicarsi alla coltivazione di TMD a livello di ricerca. Ha reclutato un postdoc, Daniele Rodi, con esperienza nella coltivazione di cristalli sciogliendo polveri di materie prime a temperature estremamente elevate e quindi raffreddandole a un ritmo glaciale. "È come far crescere lo zucchero candito dallo zucchero nell'acqua", ha spiegato Hone. Il nuovo processo ha richiesto un mese, rispetto a pochi giorni per i metodi commerciali. Ma produceva cristalli TMD da centinaia a migliaia di volte migliori di quelli in vendita nei cataloghi chimici.

Prima che Shan e Mak potessero trarre vantaggio dai cristalli sempre più puri di Hone, hanno dovuto affrontare il compito poco affascinante di capire come lavorare con scaglie microscopiche a cui non piace accettare elettroni. Per pompare gli elettroni (la base della tecnica di trasporto che Mak aveva imparato come postdoc), la coppia era ossessionata da innumerevoli dettagli: quale tipo di metallo utilizzare per l'elettrodo, quanto lontano dal TMD posizionarlo, persino quali sostanze chimiche usare utilizzare per pulire i contatti. Provare gli infiniti modi di impostare gli elettrodi è stato lento e laborioso: "un processo dispendioso in termini di tempo per perfezionare questo o quello poco a poco", ha detto Mak.

Hanno anche passato anni a capire come sollevare e impilare i microscopici fiocchi, che misurano solo decimilionesi di metro di diametro. Con questa capacità, oltre ai cristalli di Hone e ai contatti elettrici migliorati, tutto si è riunito nel 2018. La coppia si è trasferita a Ithaca, New York, per assumere nuove posizioni alla Cornell, e una cascata di risultati pionieristici è arrivata fuori dal loro laboratorio.

Scoperte alla Cornell

"Oggi, per qualche motivo, tutto è difficile da capire", ha detto Zhengchao Xia, uno studente laureato del gruppo di Mak e Shan, mentre la sagoma scura di una scaglia di nitruro di boro minacciava di staccarsi e ricadere sulla superficie di silicio sottostante. Il foglio a forma di Madagascar aderiva debolmente a un pezzo di grafite che somigliava all'Arabia Saudita, proprio come la carta potrebbe aderire alla superficie crepitante di un palloncino appena strofinato. La grafite, a sua volta, era attaccata a una goccia di rugiada appiccicosa di plastica attaccata a un vetrino. Xia ha utilizzato l'interfaccia di un computer per dirigere un supporto motorizzato che afferrava il vetrino. Come un frequentatore di sale giochi potrebbe manovrare una macchina artiglio con un joystick, sollevò con cautela la pila in aria alla velocità di un quinto di milionesimo di metro per ogni clic del mouse, fissando attentamente il monitor del computer per vedere se aveva ha catturato con successo la scaglia di nitruro di boro.

Aveva. Con qualche altro clic la pila a due strati si liberò e Xia si mosse rapidamente ma deliberatamente per depositare le scaglie su un terzo materiale incastonato con estesi elettrodi metallici. Con qualche altro clic riscaldò la superficie, sciogliendo l'adesivo plastico del vetrino prima che uno di noi potesse allontanare con lo starnuto il dispositivo microscopico.

"Ho sempre questo incubo in cui tutto scompare", ha detto.

Dall'inizio alla fine, Xia ha impiegato più di un'ora per assemblare la metà inferiore di un semplice dispositivo, l'equivalente di un PB&J a faccia aperta. Mi ha mostrato un'altra pila che aveva messo insieme di recente e ha snocciolato alcuni degli ingredienti, che includevano il diseleniuro di tungsteno e il ditelluride di molibdeno dei TMD. Questo dispositivo Dagwood, uno delle dozzine di microscopici sandwich che ha costruito e studiato nell'ultimo anno, aveva ben 10 strati e ha richiesto diverse ore per essere assemblato.

Questo impilamento di materiali 2D, che viene effettuato anche nei laboratori della Columbia, del Massachusetts Institute of Technology, di Berkeley, di Harvard e di altre istituzioni, rappresenta la realizzazione di un sogno a lungo coltivato dai fisici della materia condensata. I ricercatori non sono più limitati ai materiali trovati nel terreno o coltivati ​​lentamente in laboratorio. Ora possono giocare con l’equivalente atomico dei mattoncini Lego, unendo insieme i fogli per costruire strutture su misura con le proprietà desiderate. Quando si tratta di assemblare strutture TMD, pochi sono arrivati ​​​​al livello del gruppo Cornell.

La prima grande scoperta di Mak e Shan alla Cornell riguardava gli eccitoni, le coppie elettrone-lacuna fortemente legate che avevano osservato nei TMD nel 2014. Gli eccitoni intrigano i fisici perché questi “quasiparticelle” potrebbe offrire una via indiretta per raggiungere un obiettivo perenne della fisica della materia condensata: la superconduttività a temperatura ambiente.

Gli eccitoni seguono le stesse stravaganti regole delle coppie elettrone-elettrone; anche queste coppie elettrone-lacuna diventano bosoni, il che consente loro di “condensarsi” in uno stato quantico condiviso noto come condensato di Bose-Einstein. Questa orda coerente di quasiparticelle può mostrare tratti quantistici come la superfluidità, la capacità di fluire senza resistenza. (Quando un superfluido trasporta corrente elettrica, è superconduttore.)

Ma a differenza degli elettroni repulsivi, gli elettroni e le lacune amano accoppiarsi. I ricercatori affermano che questo potenzialmente rende la loro colla più forte. Le sfide della superconduttività basata sugli eccitoni consistono nell’impedire all’elettrone di riempire la lacuna e nel far fluire le coppie elettricamente neutre in una corrente, il tutto in una stanza quanto più calda possibile. Finora Mak e Shan hanno risolto il primo problema e hanno un piano per affrontare il secondo.

Nuvole di atomi possono essere indotte a formare condensati raffreddandoli fino a un pelo sopra lo zero assoluto con potenti laser. Ma i teorici sospettavano da tempo che a temperature più elevate si potessero formare condensati di eccitoni. Il gruppo Cornell ha reso questa idea una realtà con i suoi TMD impilabili. Utilizzando un sandwich a due strati, hanno inserito elettroni extra nello strato superiore e rimosso gli elettroni dal fondo, lasciando dei buchi. Gli elettroni e le lacune si accoppiano, formando eccitoni che hanno una vita lunga perché gli elettroni hanno difficoltà a saltare allo strato opposto per neutralizzare i loro partner. Nell'ottobre 2019, il gruppo segnali riportati di un condensato di eccitoni alla mite temperatura di 100 Kelvin. In questa configurazione, gli eccitoni persistevano per decine di nanosecondi, una vita intera per questo tipo di quasiparticelle. Nell'autunno del 2021, il gruppo ha descritto un apparato migliorato in cui gli eccitoni sembrano durare per millisecondi, cosa che Mak ha definito “praticamente per sempre”.

La squadra ora sta inseguendo uno schema inventato dai teorici nel 2008 per creare una corrente di eccitazione. Allan MacDonald, un eminente teorico della materia condensata dell'Università del Texas, ad Austin, e il suo studente laureato Jung-Jung Su proposero di far fluire gli eccitoni neutri applicando un campo elettrico orientato in modo da incoraggiare sia gli elettroni che le lacune a muoversi nella stessa direzione. Per farcela in laboratorio, il gruppo Cornell deve ancora una volta confrontarsi con il loro perenne nemico, i contatti elettrici. In questo caso, devono attaccare più set di elettrodi agli strati TMD, alcuni per produrre gli eccitoni e altri per spostarli.

Shan e Mak credono di essere sulla buona strada per far sì che presto il flusso degli eccitoni raggiunga i 100 Kelvin. Si tratta di una stanza gelida per una persona (-173 gradi Celsius o -280 gradi Fahrenheit), ma è un enorme passo avanti rispetto alle condizioni di nanokelvin di cui ha bisogno la maggior parte dei condensati bosonici.

“Sarebbe di per sé un bel risultato”, ha detto Mak con un sorriso sornione, “alzare la temperatura di un miliardo di volte”.

Materiali magici Moiré

Nel 2018, mentre il laboratorio della Cornell intensificava i propri esperimenti TMD, un’altra sorpresa del grafene ha lanciato una seconda rivoluzione dei materiali 2D. Pablo Jarillo-Herrero, un ricercatore del MIT e un altro ex allievo della Columbia, hanno annunciato che torcendo uno strato di grafene rispetto allo strato sottostante si creava un nuovo magico materiale 2D. Il segreto era far cadere lo strato superiore in modo tale che i suoi esagoni atterrassero con una leggera “torsione”, in modo che fossero ruotati esattamente di 1.1 gradi rispetto agli esagoni sottostanti. Questo disallineamento angolare provoca uno spostamento tra gli atomi che cresce e si restringe mentre ci si sposta attraverso un materiale, generando uno schema ripetuto di grandi “supercelle” noto come superreticolo moiré. MacDonald e un collega avevano calcolato nel 2011 che all'“angolo magico” di 1.1 gradi, la struttura cristallina unica del superreticolo costringerebbe gli elettroni del grafene a rallentare e a percepire la repulsione dei loro vicini.

Quando gli elettroni diventano consapevoli l’uno dell’altro, accadono cose strane. Nei normali isolanti, conduttori e semiconduttori, si pensa che gli elettroni interagiscano solo con il reticolo degli atomi; corrono in giro troppo velocemente per notarsi. Ma rallentati a passo d’uomo, gli elettroni possono scontrarsi tra loro e assumere collettivamente un assortimento di stati quantistici esotici. Gli esperimenti di Jarillo-Herrero lo hanno dimostrato, ad esempio poco compreso ragioni, questa comunicazione da elettrone a elettrone nel grafene contorto e ad angolo magico dà origine a un forma particolarmente forte di superconduttività.

Il superreticolo moiré del grafene ha anche introdotto i ricercatori a un modo radicalmente nuovo di controllare gli elettroni. Nel superreticolo, gli elettroni diventano ignari dei singoli atomi e sperimentano le supercelle stesse come se fossero atomi giganti. Ciò rende facile popolare le supercelle con abbastanza elettroni per formare stati quantistici collettivi. Usando un campo elettrico per aumentare o diminuire il numero medio di elettroni per supercella, il gruppo di Jarillo-Herrero è stato in grado di far sì che il loro dispositivo di grafene a doppio strato attorcigliato fungesse da superconduttore, agendo come un isolanteo visualizzare a zattera di altri, comportamenti elettronici strani.

I fisici di tutto il mondo si sono precipitati nel campo nascente della “twistronics”. Ma molti hanno scoperto che torcersi è difficile. Gli atomi non hanno motivo di cadere nel disallineamento “magico” di 1.1 gradi, quindi i fogli si raggrinziscono in modi che cambiano completamente le loro proprietà. Xia, la studentessa laureata della Cornell, ha detto di avere un gruppo di amici in altre università che lavorano con dispositivi contorti. La creazione di un dispositivo funzionante richiede in genere dozzine di tentativi. E anche in questo caso, ogni dispositivo si comporta in modo diverso, quindi è quasi impossibile ripetere esperimenti specifici.

I TMD rappresentano un modo molto più semplice per creare superreticoli moiré. Poiché diversi TMD hanno reticoli esagonali di dimensioni diverse, impilare un reticolo di esagoni leggermente più grandi su un reticolo più piccolo crea un motivo moiré proprio come fa il disallineamento angolare. In questo caso, poiché non c'è rotazione tra gli strati, è più probabile che la pila scatti in posizione e rimanga ferma. Quando Xia si propone di creare un dispositivo moiré TMD, ha detto, in genere ci riesce quattro volte su cinque.

I materiali moiré TMD rappresentano un terreno di gioco ideale per esplorare le interazioni degli elettroni. Poiché i materiali sono semiconduttori, i loro elettroni diventano pesanti mentre attraversano i materiali, a differenza dei frenetici elettroni del grafene. E le gigantesche cellule moiré li rallentano ulteriormente: mentre gli elettroni spesso si muovono tra gli atomi tramite “tunneling”, un comportamento quantomeccanico simile al teletrasporto, il tunneling avviene raramente in un reticolo moiré, poiché le supercelle si trovano circa 100 volte più distanti rispetto agli atomi al loro interno. . La distanza aiuta gli elettroni a stabilizzarsi e dà loro la possibilità di conoscere i propri vicini.

L'amico rivale di Shan e Mak, Feng Wang, è stato uno dei primi a riconoscere il potenziale dei superreticoli moiré TMD. Calcoli approssimativi suggeriscono che questi materiali dovrebbero dare origine a uno dei modi più semplici in cui gli elettroni possono organizzarsi: uno stato noto come cristallo di Wigner, in cui la repulsione reciproca blocca gli elettroni letargici in posizione. La squadra di Wang ha visto segni di tali stati nel 2020 e pubblicato la prima immagine di elettroni che si tengono a distanza di un braccio Natura nel 2021. A quel punto, la notizia delle attività moiré TMD di Wang si era già diffusa attraverso la ristretta comunità di fisica 2D e la fabbrica TMD di Cornell stava sfornando i propri dispositivi moiré TMD. Shan e Mak hanno anche riportato prove della presenza di cristalli Wigner nei superreticoli TMD nel 2020 e hanno scoperto in pochi mesi che gli elettroni nei loro dispositivi potrebbero cristallizzarsi in quasi due dozzine di diversi modelli di cristalli Wigner.

Allo stesso tempo, il gruppo Cornell stava anche trasformando i materiali moiré TMD in un elettroutensile. MacDonald e collaboratori aveva previsto nel 2018 che questi dispositivi hanno la giusta combinazione di caratteristiche tecniche per farli rappresentare perfettamente uno dei modelli giocattolo più importanti della fisica della materia condensata. Il modello di Hubbard, come viene chiamato, è un sistema teorizzato utilizzato per comprendere un'ampia varietà di comportamenti degli elettroni. Proposto in modo indipendente da Martin Gutzwiller, Junjiro Kanamori e John Hubbard nel 1963, il modello è il miglior tentativo dei fisici di ridurre la varietà praticamente infinita di reticoli cristallini alle loro caratteristiche più essenziali. Immagina una griglia di atomi che ospitano elettroni. Il modello di Hubbard presuppone che ogni elettrone senta due forze concorrenti: vuole muoversi creando un tunnel verso gli atomi vicini, ma è anche respinto dai suoi vicini, il che lo spinge a rimanere dov'è. A seconda del desiderio più forte sorgono comportamenti diversi. L’unico problema con il modello di Hubbard è che in tutti i casi, tranne il caso più semplice – una stringa di atomi 1D – è matematicamente irrisolvibile.

Secondo MacDonald e colleghi, i materiali moiré TMD potrebbero agire come “simulatori” del modello di Hubbard, risolvendo potenzialmente alcuni dei misteri più profondi del campo, come la natura della colla che lega gli elettroni in coppie superconduttrici nei cuprati. Invece di lottare con un’equazione impossibile, i ricercatori hanno potuto liberare gli elettroni in un sandwich TMD e vedere cosa facevano. "Possiamo scrivere questo modello, ma è molto difficile rispondere a molte domande importanti", ha detto MacDonald. “Ora possiamo farlo semplicemente facendo un esperimento. È davvero rivoluzionario”.

Per costruire il loro simulatore di modello Hubbard, Shan e Mak hanno impilato strati di diseleniuro di tungsteno e solfuro di tungsteno per creare un superreticolo moiré e hanno collegato gli elettrodi per aumentare o diminuire un campo elettrico che passa attraverso il sandwich TMD. Il campo elettrico controllava quanti elettroni avrebbero riempito ciascuna supercella. Poiché le cellule si comportano come atomi giganti, passare da un elettrone a due elettroni per supercella era come trasformare un reticolo di atomi di idrogeno in un reticolo di atomi di elio. Nel loro pubblicazione iniziale del modello di Hubbard in Natura nel marzo 2020 hanno riferito di aver simulato atomi con un massimo di due elettroni; oggi possono arrivare fino a otto. In un certo senso avevano realizzato l'antico scopo di trasformare il piombo in oro. "È come mettere a punto la chimica", ha detto Mak, "attraversando la tavola periodica". In linea di principio, possono persino evocare una griglia di atomi fittizi con, diciamo, 1.38 elettroni ciascuno.

Successivamente, il gruppo ha esaminato i cuori degli atomi artificiali. Con più elettrodi, potrebbero controllare il “potenziale” delle supercelle apportando modifiche simili all'aggiunta di protoni positivi ai centri dei giganti atomi sintetici. Maggiore è la carica di un nucleo, più difficile è per gli elettroni allontanarsi tramite tunnel, quindi questo campo elettrico consente loro di aumentare e diminuire la tendenza al salto.

Il controllo di Mak e Shan sugli atomi giganti - e quindi sul modello di Hubbard - era completo. Il sistema moiré TMD consente loro di evocare una griglia di atomi surrogati, anche quelli che non esistono in natura, e trasformarli dolcemente come desiderano. È un potere che, anche per altri ricercatori del settore, rasenta il magico. "Se dovessi individuare il loro sforzo più emozionante e impressionante, sarebbe quello", ha detto Kim.

Il gruppo Cornell ha utilizzato rapidamente i propri atomi progettisti per risolvere un dibattito vecchio di 70 anni. La domanda era: e se potessi prendere un isolante e modificarne gli atomi per trasformarlo in un metallo conduttore? Il passaggio avverrebbe gradualmente o all’improvviso?

Con la loro alchimia moiré, Shan e Mak hanno condotto l'esperimento mentale nel loro laboratorio. Per prima cosa hanno simulato atomi pesanti, che intrappolavano gli elettroni in modo che il superreticolo TMD agisse come un isolante. Poi hanno ristretto gli atomi, indebolendo la trappola finché gli elettroni non sono riusciti a liberarsi, lasciando che il superreticolo diventasse un metallo conduttore. Osservando una resistenza elettrica in graduale diminuzione man mano che il superreticolo si comportava sempre più come un metallo, hanno dimostrato che la transizione non è brusca. Questa scoperta, che hanno annunciato in Natura l'anno scorso, apre la possibilità che gli elettroni del superreticolo possano essere in grado di raggiungere un tipo di fluidità a lungo ricercato noto come a liquido a spin quantistico. "Questo potrebbe essere il problema più interessante che si possa affrontare", ha detto Mak.

Quasi nello stesso momento, la coppia ha avuto la fortuna di fare quella che alcuni fisici considerano la loro scoperta più significativa fino ad ora. "In realtà è stato un incidente totale", ha detto Mak. “Nessuno se lo aspettava”.

Quando hanno iniziato la ricerca sul simulatore Hubbard, i ricercatori hanno utilizzato sandwich TMD in cui gli esagoni sui due strati sono allineati, con i metalli di transizione sopra i metalli di transizione e i calcogenuri sopra i calcogenuri. (È stato allora che hanno scoperto la transizione graduale dall'isolante al metallo.) Poi, per caso, è capitato loro di ripetere l'esperimento con dispositivi in ​​cui lo strato superiore era stato impilato all'indietro.

Come prima, la resistenza cominciò a diminuire mentre gli elettroni cominciavano a saltare. Ma poi precipitò bruscamente, scendendo così in basso che i ricercatori si chiesero se il moiré avesse cominciato a supercondurre. Esplorando ulteriormente, però, loro misurato un raro modello di resistenza noto come effetto Hall anomalo quantistico: la prova che stava succedendo qualcosa di ancora più strano. L'effetto indicava che la struttura cristallina del dispositivo costringeva gli elettroni lungo il bordo del materiale ad agire in modo diverso da quelli al centro. Al centro del dispositivo gli elettroni erano intrappolati in uno stato isolante. Ma attorno al perimetro scorrevano in una direzione, il che spiega la bassissima resistenza. Per caso, i ricercatori avevano creato un tipo di materia estremamente insolita e fragile conosciuta come isolante Chern.

L’effetto Hall anomalo quantistico, osservato per la prima volta nel 2013, di solito crolla se la temperatura sale al di sopra di qualche centesimo di Kelvin. Nel 2019, il gruppo di Young a Santa Barbara lo aveva visto un sandwich di grafene attorcigliato unico a circa 5 Kelvin. Ora Shan e Mak hanno ottenuto l'effetto quasi alla stessa temperatura, ma in un dispositivo TMD anti-torsione che chiunque può ricreare. "La nostra aveva una temperatura più alta, ma prenderò la loro ogni giorno perché possono farlo 10 volte di seguito", ha detto Young. Ciò significa che puoi capirlo “e usarlo per fare effettivamente qualcosa”.

Mak e Shan credono che, con un po' di impegno, possono usare i materiali moiré TMD per costruire isolanti Chern che sopravvivono fino a 50 o 100 Kelvin. Se avranno successo, il lavoro potrebbe portare a un altro modo per far circolare la corrente senza resistenza, almeno per minuscoli “nanofili”, che potrebbero anche essere in grado di accendere e spegnere in punti specifici all’interno di un dispositivo.

Esplorazione in Flatlandia

Anche se i risultati storici si accumulano, la coppia non mostra segni di rallentamento. Il giorno della mia visita, Mak ha osservato gli studenti armeggiare con un imponente frigorifero a diluizione che avrebbe permesso loro di raffreddare i loro dispositivi a temperature mille volte più fredde di quelle con cui avevano lavorato finora. C'è stata così tanta fisica da scoprire in condizioni “più calde” che il gruppo non ha avuto la possibilità di esplorare a fondo il regno criogenico più profondo alla ricerca di segni di superconduttività. Se il super frigorifero lascia che i TMD superconducano, ciò risponderà ancora a un’altra domanda, dimostrandolo una forma di magnetismo intrinseco ai cuprati (ma assente nei TMD) non è un ingrediente essenziale della colla legante gli elettroni. "È come uccidere una delle componenti importanti che i teorici volevano davvero uccidere da molto tempo", ha detto Mak.

Lui, Shan e il loro gruppo non hanno nemmeno iniziato a sperimentare alcuni dei TMD più stravaganti. Dopo aver trascorso anni a inventare l'attrezzatura necessaria per spostarsi nel continente dei materiali 2D, si stanno finalmente preparando per avventurarsi oltre la testa di ponte del disolfuro di molibdeno su cui sono atterrati nel 2010.

I due ricercatori attribuiscono il loro successo alla cultura della cooperazione assorbita alla Columbia. La collaborazione iniziale con Hone che li ha introdotti al disolfuro di molibdeno, dicono, è stata solo una delle tante opportunità di cui hanno goduto perché erano liberi di seguire la loro curiosità. "Non abbiamo dovuto discutere" i loro piani con Heinz, il capo del loro laboratorio, ha detto Shan. “Abbiamo parlato con persone di altri gruppi. Abbiamo fatto gli esperimenti. Abbiamo anche concluso le cose.

Oggi promuovono un ambiente altrettanto rilassato alla Cornell, dove supervisionano un paio di dozzine di postdoc, ricercatori in visita e studenti, i quali sono in gran parte liberi di fare le proprie cose. "Gli studenti sono molto intelligenti e hanno buone idee", ha detto Mak. "A volte non vuoi interferire."

Il loro matrimonio rende unico anche il loro laboratorio. I due hanno imparato ad appoggiarsi ai propri punti di forza personali. Oltre all'abbondanza di creatività come sperimentatrice, Shan possiede un'attenta disciplina che la rende una buona manager; mentre parlavamo tutti e tre, spesso spingeva il “professor Fai” a rimettersi in carreggiata quando il suo entusiasmo per la fisica lo spingeva troppo in profondità nei tecnicismi. Mak, dal canto suo, ama lavorare a fianco dei ricercatori all'inizio della carriera, sia all'interno che all'esterno del laboratorio. Recentemente ha iniziato ad arrampicare su roccia con il gruppo. "Sembra che il loro laboratorio sia la loro famiglia", ha detto Young. Shan e Mak mi hanno detto che ottengono più risultati insieme di quanto potrebbero fare da soli. "Uno più uno fa più di due", ha detto Mak.

I dispositivi che stanno costruendo potrebbero anche accumularsi fino a superare la somma delle loro parti. Mentre i ricercatori uniscono insieme i fogli TMD per creare eccitoni e superreticoli moiré, speculano su come i nuovi modi di addomesticare gli elettroni potrebbero potenziare la tecnologia. Anche se la superconduttività tascabile rimane sfuggente, i condensati di Bose-Einstein potrebbero portare a sensori quantistici ultrasensibili e un migliore controllo degli isolanti di tipo Chern potrebbe consentire potenti computer quantistici. E queste sono solo le idee ovvie. I miglioramenti incrementali nella scienza dei materiali spesso si traducono in applicazioni radicali che pochi avevano previsto. I ricercatori che hanno sviluppato il transistor, ad esempio, avrebbero faticato a prevedere che gli smartphone fossero alimentati da miliardi di interruttori microscopici inseriti in un chip delle dimensioni di un’unghia. E gli scienziati che hanno tentato di creare fibre di vetro in grado di trasportare la luce attraverso il banco di laboratorio non avrebbero potuto prevedere che un giorno fibre ottiche sottomarine lunghe 10,000 chilometri avrebbero collegato i continenti. I materiali bidimensionali possono evolversi in direzioni altrettanto imprevedibili. "Una piattaforma di materiali davvero nuova genera le proprie applicazioni invece di sostituire i materiali esistenti", ha affermato Heinz.

Mentre mi accompagnavano alla fermata dell'autobus di Ithaca, Shan e Mak mi hanno raccontato di una recente (e rara) vacanza che hanno fatto a Banff, in Canada, dove ancora una volta hanno dimostrato la loro abilità nell'inciampare in sorprese attraverso un mix di sforzo e fortuna. Avevano passato giorni cercando, invano, di avvistare un orso. Poi, alla fine del viaggio, sulla strada per l'aeroporto, si sono fermati a sgranchirsi le gambe in una riserva botanica e si sono ritrovati faccia a faccia con un orso nero.

Allo stesso modo, con la fisica della materia condensata, il loro approccio è quello di girovagare insieme in un nuovo paesaggio e vedere cosa si presenta. "Non abbiamo molte indicazioni teoriche, ma ci limitiamo a scherzare e giocare con gli esperimenti", ha detto Mak. "Può fallire, ma a volte puoi imbatterti in qualcosa di molto inaspettato."