米尔德里德·德雷塞尔豪斯 (Mildred Dresselhaus) 的生活充满挑战。在布朗克斯区长大——对她来说更不利的是，她在 1940 年代成长为一名女性——德雷塞尔豪斯的传统职业选择微不足道。相反，她成为了世界上最杰出的碳科学专家之一，也是麻省理工学院第一位女性研究所教授，在那里她度过了 57 年的职业生涯。她与恩里科·费米（Enrico Fermi）等物理学界名人合作，为未来获得诺贝尔奖的研究奠定了重要基础，还领导了美国能源部的科学办公室，她自己也获得了国家科学奖章。
下面摘自《碳皇后：纳米科学先驱 Mildred Dresselhaus 的非凡一生》 ，麻省理工学院新闻的作者兼副编辑主任 Maia Weinstock 讲述了 Dresselhaus 与伊朗裔美国物理学家 Ali Javan 合作研究电荷载体的确切时间——即电子——在石墨基质中移动，这项研究将彻底颠覆该领域对这些亚原子粒子如何运作的理解。
摘自Carbon Queen：Maia Weinstock 的纳米科学先驱 Mildred Dresselhaus 的非凡一生。经麻省理工学院出版社许可转载。版权所有 2022。
一个关键的脸
对于任何拥有像 Mildred S. Dresselhaus 一样漫长而有成就的研究生涯的人来说，肯定会有某些论文可能会在脑海中迷失方向——也许只是取得适度进展的论文，或者涉及相对较少的努力或投入（例如，在与许多合著者的论文中担任次要咨询作者时）。相反，总有一些杰出的论文让人永远无法忘记——因为它们的科学影响力，或者因为它们与一个人职业生涯中特别难忘的时期相吻合，或者仅仅是因为它们是独特的或野兽般的实验。
米莉成为麻省理工学院永久成员后的第一个主要研究出版物属于杰出的类别。这是她在回忆自己的职业生涯时一次又一次地描述的故事，并称其为“科学史上的一个有趣故事”。
故事开始于米莉和伊朗裔美国物理学家阿里·贾文的合作。 Javan 出生于伊朗，父母是阿塞拜疆人，他是一位才华横溢的科学家和屡获殊荣的工程师，因发明气体激光器而闻名。他的氦氖激光器是与威廉·贝内特共同发明的，当时两人都在贝尔实验室，这一进步使 20 世纪后期许多最重要的技术成为可能——从 CD 和 DVD 播放器到条形码扫描系统，再到现代光纤.
在发表了几篇描述她早期关于石墨电子结构的磁光研究的论文后，Millie 想要进行更深入的研究，而 Javan 想要提供帮助。两人是在米莉在林肯实验室工作时认识的。她是一个超级粉丝，曾称他为“天才”和“极富创造力和才华横溢的科学家”。
对于她的新工作，米莉旨在研究石墨价带和导带中的磁能级。为此，她、Javan 和研究生 Paul Schroeder 使用了氖气激光器，该激光器将提供一个尖锐的光点来探测他们的石墨样品。激光器必须专门为实验而制造，他们的劳动成果需要数年时间才能成熟；事实上，米莉在工作期间从林肯搬到了麻省理工学院。
如果实验只产生了单调的结果，与团队已经知道的一切一致，它仍然是一个开创性的实验，因为它是科学家使用激光研究电子行为的首批实验之一。磁场。但结果一点也不单调。在米莉和她的合作者开始他们的实验三年后，他们发现他们的数据告诉了他们一些似乎不可能的事情：石墨价带和导带内的能级间距与他们的预期完全不同。正如 20 年后米莉在麻省理工学院向全神贯注的听众解释的那样，这意味着“直到那时，每个人都在使用的乐队结构肯定是不正确的，必须颠倒过来。”
换句话说，米莉和她的同事们即将推翻一项既定的科学规则——这是人们可以做出的更令人兴奋和重要的科学发现类型之一。就像 1957 年由 Chien-Shiung Wu 领导的具有里程碑意义的出版物推翻了长期被接受的被称为宇称守恒的粒子物理学概念一样，颠覆既定科学需要高度的精确性和对结果的信心。米莉和她的团队两者都有。
他们的数据表明，之前公认的在石墨电子结构中放置称为电荷载流子的实体实际上是落后的。电荷载体，它允许能量流过石墨等导电材料，本质上正如它们的名字所暗示的那样：可以携带电荷的东西。它们对于由能量流驱动的电子设备的功能也至关重要。
电子是众所周知的电荷载体。这些亚原子位在四处移动时带有负电荷。当电子在晶格内从一个原子移动到另一个原子时，可以看到另一种类型的电荷载流子，从而产生一个也带有电荷的空空间——一个与电子大小相等但电荷相反的空间。在本质上缺乏电子的情况下，这些正电荷载体被称为空穴。
图 6.1 在此简化图中，电子（黑点）围绕晶格中的原子核。在某些情况下，电子可以脱离晶格，留下一个带正电荷的空点或空穴。电子和空穴都可以移动，影响材料内的导电性。
Millie、Javan 和 Schroeder 发现，科学家在之前公认的石墨结构中使用了错误的空穴和电子分配：他们在空穴应该存在的地方发现了电子，反之亦然。 “这太疯狂了，”米莉在 2001 年的口述历史采访中说。 “我们发现，在此之前对石墨电子结构所做的一切都被逆转了。”
与推翻传统智慧的许多其他发现一样，人们并没有立即接受这一启示。首先，米莉和她的合作者提交论文的期刊最初拒绝发表。在复述这个故事时，米莉经常注意到其中一位裁判，她的朋友和同事乔尔麦克卢尔，私下透露自己是一名审稿人，希望让她相信她令人尴尬地偏离了基地。 “他说，”米莉在 2001 年的一次采访中回忆道，“‘米莉，你不想发表这个。我们知道电子和空穴在哪里；你怎么能说他们是倒退的？’”但是像所有优秀的科学家一样，米莉和她的同事们已经多次检查和重新检查他们的结果，并且对他们的准确性充满信心。因此，米莉感谢麦克卢尔，并告诉他他们确信他们是对的。 “我们想出版，我们……会冒毁掉我们职业生涯的风险，”米莉在 1987 年回忆道。
尽管得出的结论与石墨的既定结构背道而驰，但麦克卢尔和其他同行审稿人让他们的同事从怀疑中受益，批准了该论文的发表。然后发生了一件有趣的事情：在看到这些结论的支持下，其他研究人员出现了以前收集的数据，这些数据只有在电子和空穴的反向分配的情况下才有意义。 “有大量的出版物支持我们以前无法解释的发现，”米莉在 2001 年说。
今天，那些研究石墨电子结构的人是在了解 Millie、Ali Javan 和 Paul Schroeder 收集的电荷载流子位置的情况下进行的（根据该小组的结果，他们最终得出了一篇非常出色的论文）。对于米莉来说，她在麻省理工学院教师的第一年就发表了这项工作，这个实验很快巩固了她作为一名杰出的研究所研究员的地位。虽然她对科学的许多最值得注意的贡献尚未到来，但这一早期发现是她一生都会为之自豪的发现。