使电子以新的和意想不到的方式表现

Aravind Devarakonda 是 Simons Society of Fellows 的初级研究员。

在高中，大多数学生学习电子的基础知识：它们是原子的一部分，带有负电荷并通过固体携带电力。对于我们中的许多人来说，这就是我们所学到的一切。但是，在他以科学为重点的高中时，他对电子的行为产生了兴趣，他发现这个故事还有很多。

当 Devarakonda 了解计算机芯片的核心组件硅的电学特性时，他对电子的好奇心首先被激起。由于最初的迷恋，Devarakonda 现在创造出具有意想不到的电气特性的材料。他的目标是通过使用物理和化学工具来发现物质的新电子态。

Devarakonda 最近在哥伦比亚大学的西蒙斯研究员协会完成了他作为初级研究员的第一年，他在那里与物理学家科里迪恩一起学习。我们最近讨论了 Devarakonda 的工作及其影响。为了清楚起见，我们的对话已经过编辑。

你会如何描述你的整体科学兴趣？

我被“出现”的概念所吸引，这是一种整体大于部分之和的科学现象。自然界中有很多这样的例子。例如，在复杂的生物系统中，单个组件通常可以组合在一起以意想不到的方式发挥作用。在我的研究中，我专注于大量电子如何穿过固体，这会导致令人惊讶和紧急的行为。

对我来说，这种兴趣始于高中的电气工程课程，在那里我们会修补电子设备来构建简单的工具，如时钟和温度计。我们基本上是在操纵通过计算机芯片内部硅的电子流。我很好奇这个过程是如何运作的，这让我陷入了试图了解电子在其他材料中的行为的兔子洞——尽管有新的和更新颖的结构，我今天仍然发现自己。一旦我们更好地了解了这些材料中电子的特性，我希望我们可以让它们以新的和有趣的方式表现出来。

这项工作的潜在应用是什么？

典型的超导体——能够在没有任何电阻的情况下导电的材料，如元素铝和化合物二硫化铌 (NbS ₂ )——在比绝对零高几度的温度下超导。这使得它们变得昂贵并且通常不切实际地发展成技术。通过更好地了解电子在固体中的行为方式，也许我们可以开发出更实用的新型超导体。那可能是未来几十年，但我认为这不是不可能的。

图 A：钡铌硫化物 (Ba6Nb11S28) 晶体的光学显微镜图像。图 B：Ba6Nb11S28 晶体的横截面透射电子显微镜 (TEM) 图像。我们可以看到超导 H-NbS2 和绝缘 Ba3NbS5 间隔物的交替堆叠导致这种宏观晶体中的二维超导性。学分：阿拉文德瓦拉康达

我的工作是好奇心驱动的。我合成和研究的材料可能不会立即应用，但我确信我在研究中带来的理解将有助于为长期有用的工具铺平道路。

一种特别有前途的材料称为拓扑绝缘体，它的不寻常之处在于它在其表面导电，但在其内部不导电。在过去的二十年里，拓扑绝缘体和其他拓扑材料引起了很多关注，这在很大程度上受到了几个关键理论见解的推动。

你能多谈谈这些见解吗？

大约 20 年前，物理学家 Charles Kane、Eugene Mele 和 Shoucheng Zhang 及其研究小组确定了有关晶体中电子基本行为的关键信息。具体来说，他们发现晶体中的电子波函数可以分为拓扑不同的类别，这意味着它们不能在没有伴随其性质的剧烈变化的情况下相互转化。这就像试图将一个球体变成一个甜甜圈而不在中间打一个大洞。

在这个最初的预测几年后，实验者证明了这些拓扑材料的存在。从那时起，我们的社区一直致力于对不同种类的这些材料进行分类。更广泛地说，这种检查物理和化学基础材料的方法是迈向潜在未来应用的关键一步，例如构建新型超导体。

 

你在麻省理工学院博士工作的主要重点是什么？

我的研究集中在一种叫做超晶格的材料上。超晶格是一种结构排列，通过将两个或多个不同的层一层一层地堆叠起来，有点像层蛋糕。超晶格可以有很多种。我的重点是一种特殊的超晶格，钡铌硫化物。

在某种程度上，找到这个超晶格是与我正在追求的另一个项目有关的一次快乐事故的结果。我试图合成一种由元素钡、铌和硫组成的化合物。据预测，这种化合物的行为类似于被称为石墨烯的单碳层的三维模拟。在我的实验中，我注意到获得的一些晶体是有光泽的和分层的。当我们试图了解它的结构时，我们发现它是一个非常有趣的超晶格。

我们培育的超晶格与被称为过渡金属二硫化物或 TMD 的更大的材料家族有关。在我们的超晶格中，超导 TMD 二硫化铌的各个层通过绝缘块彼此隔离。在低温下，这种 TMD 还能以零电阻导电。从本质上讲，它是一种三维晶体，其行为就像二维超导体一样。它也是一种非常干净的材料，这意味着结构中没有太多缺陷。

当我们更仔细地观察时，我们发现我们的材料表现出一种不寻常的超导状态，这种状态通常仅在材料非常干净且类似二维时才会出现。把它转一圈，事实证明这种材料似乎也是拓扑的，类似于我最初打算研究的化合物。这一发现以及其他类似发现扩大了我们对超导性和拓扑特性如何在真实材料中表现的理解。有了这些知识，我们就有可能开发出这些电子特性更强大的新材料，例如，在更高的温度下存活。

 

现在你在哥伦比亚大学，你的研究兴趣是如何演变的？

在研究生院，我采用自上而下的方法，通过生长宏观晶体并研究其特性。现在，在哥伦比亚大学，我的工作更加自下而上，例如将石墨烯等材料的薄片堆叠在一起，以创建我们可以操纵并用于研究电子行为的人造结构。两种方法都有相同的目标，即实现物质的新电子态。

在哥伦比亚大学，我与罗伊实验室的化学同事密切合作。传统上，物理与化学之间存在着隔墙。我希望我的工作以及我同事的工作能够帮助打破这一障碍——这非常令人兴奋。

事实上，我的工作位于化学和物理学的交叉点，用于研究物质的不寻常电子相。我可能会发现关于晶体中电子行为的新见解，这将反馈到我用来生长晶体的化学“配方”中，从而使我们能够潜在地操纵它们的特性。

最后，您对 Simons Junior Fellowship 有何看法？

初级研究员和高级研究员之间的互动是一种美妙而独特的体验，因为它在某种程度上打破了教师和博士后之间的正式障碍。在我们每周的晚餐和讲座期间，能够在轻松、开放的环境中与高级研究员进行对话是非常宝贵的。

但更根本的是，西蒙斯基金会在支持对具有紧急行为的复杂系统进行研究方面有着悠久的历史，就像我研究的那种，所以它是一个完美的地方。我有时会从其他相关领域的科学家如何在理解其他复杂系统方面取得进展中找到灵感，所以我非常感谢这个社区。