Кристальные короли

Два исследователя из Японии предоставили физикам всего мира драгоценный камень, который ускорил бум графена в электронике.

Запах едкого металла наполняет воздух, когда Такаши Танигучи проникает в сердцевину одного из самых мощных гидравлических прессов в мире. Эта семиметровая машина может превращать углерод в алмазы, но сегодня их нет в ее меню. Вместо этого Танигучи и его коллега Кенджи Ватанабэ используют его для выращивания некоторых из самых желанных драгоценных камней в мире физики.

В течение последних восьми дней две стальные наковальни дробили порошкообразную смесь материалов внутри пресса при температуре более 1500 °C и давлении, в 40 000 раз превышающем атмосферное. Теперь Танигучи открыл машину, и из ее внутренностей капает охлаждающая вода. Он вытаскивает капающий приз, цилиндр шириной 7 сантиметров, и начинает ножом скалывать его внешние слои, чтобы избавиться от металлического мусора, который помогал регулировать давление и температуру. «Последние шаги похожи на приготовление пищи», — говорит он, сосредоточившись на своих инструментах. В конце концов он обнаруживает молибденовую капсулу размером не намного больше напёрстка. Он зажимает его в тиски и хватает гаечным ключом размером с его предплечье. При одном повороте капсула разрушается и выбрасывает в воздух порцию излишков порошка. Внутри капсулы все еще находятся мерцающие прозрачные кристаллы размером в миллиметр, известные как гексагональный нитрид бора (hBN).

Лаборатории материалов по всему миру хотят того же, что Танигучи и Ватанабэ делают здесь, в Лаборатории экстремальных технологий, здании в зеленом кампусе Национального института материаловедения (NIMS) в Цукубе, недалеко от Токио. В течение последнего десятилетия японская пара была ведущими в мире создателями и поставщиками сверхчистого hBN, который они бесплатно отправляли сотням исследовательских групп.

Этой задаче они пожертвовали значительной частью своих собственных исследований и почти всем тиражом своей прессы. Но при этом они ускорили одну из самых интересных областей исследований в материаловедении: изучение электронного поведения в двумерных материалах, таких как графен, листы углерода толщиной в один атом. Эти системы вдохновляют физиков фундаментальным пониманием некоторых из самых экзотических электронных эффектов квантового мира и могут однажды привести к приложениям в квантовых вычислениях и сверхпроводимости — электричестве, проводимом без сопротивления.

Графен легко сделать самому, с помощью липкой ленты отслаивая углеродные слои от грифеля карандаша (графита). Но чтобы изучить сложные электронные свойства этого материала, исследователям необходимо разместить его на исключительной поверхности — идеально плоской защитной опоре, которая не будет мешать быстро движущимся электронам графена. Вот тут-то и появляется hBN в виде прозрачного нижнего слоя или подложки. «Насколько мы исследовали, это самая идеальная подложка для размещения графена или других 2D-устройств», — говорит Кори Дин, физик конденсированного состояния из Колумбийского университета в Нью-Йорке, который был частью команды, которая первой разработала как соединить hBN и графен. «Он просто прекрасно защищает графен от окружающей среды».

Когда чешуйка hBN вступает в контакт с графеном, она также может действовать как пищевая пленка, позволяя точно вытянуть углеродный лист и поместить его обратно. Это позволяет исследователям создавать устройства, складывая несколько слоев 2D-материалов, как сэндвич (см. «Сэндвич с графеном»).

Например, с прошлого года ученые-материаловеды обсуждают открытие, что простое смещение двух листов графена ровно на 1,1° — «магический угол» — материал может стать сверхпроводником при очень низких температурах. А в июле исследователи сообщили о признаках сверхпроводимости, когда три листа графена сложены друг на друга — скручивания не требуется. В этих исследованиях, как и в сотнях других, для защиты образцов использовались кусочки hBN Танигучи и Ватанабэ. «Мы просто участвуем», — скромно говорит Танигучи. «Для нас это своего рода побочный продукт». Дин более восторженно отзывается о hBN пары: «Это действительно невоспетый герой процесса», — говорит он. «Это повсюду».