Die Kristallkönige

Zwei Forscher in Japan beliefern Physiker auf der ganzen Welt mit einem Juwel, das den Elektronikboom von Graphen beschleunigt hat

Der Geruch von scharfem Metall erfüllt die Luft, als Takashi Taniguchi in den Kern einer der leistungsstärksten hydraulischen Pressen der Welt greift. Diese sieben Meter hohe Maschine kann Kohlenstoff zu Diamanten pressen – aber sie stehen heute nicht auf ihrer Speisekarte. Stattdessen nutzen Taniguchi und sein Kollege Kenji Watanabe es, um einige der begehrtesten Juwelen der Welt der Physik zu züchten.

Seit acht Tagen zerkleinern zwei Stahlambosse in der Presse ein pulverförmiges Mischungsgemisch bei Temperaturen von mehr als 1.500 °C und bis zum 40.000-fachen Atmosphärendruck. Nun hat Taniguchi die Maschine geöffnet und aus ihrem Inneren tropft Kühlwasser. Er holt den tropfenden Preis, einen sieben Zentimeter breiten Zylinder, heraus und beginnt mit einem Messer an seinen äußeren Schichten zu zerhacken, um das Abfallmetall zu entfernen, das dabei geholfen hat, die Drücke und Temperaturen zu regulieren. „Die letzten Schritte sind wie Kochen“, sagt er und konzentriert sich dabei intensiv auf seine Werkzeuge. Schließlich enthüllt er eine Molybdänkapsel, die nicht viel größer als ein Fingerhut ist. Er spannt es in einen Schraubstock und greift es mit einem Schraubenschlüssel von der Größe seines Unterarms. Mit einer Drehung zerbricht die Kapsel und gibt einen Schwall überschüssigen Pulvers in die Luft ab. In der Kapsel sind noch immer schimmernde, klare, millimetergroße Kristalle eingebettet, die als hexagonales Bornitrid (hBN) bekannt sind.

Materiallabore auf der ganzen Welt wollen, was Taniguchi und Watanabe hier im Extreme Technology Laboratory herstellen, einem Gebäude auf dem grünen Campus des National Institute of Materials Science (NIMS) in Tsukuba, außerhalb von Tokio. Seit einem Jahrzehnt sind die beiden Japaner die weltweit führenden Hersteller und Lieferanten von hochreinem hBN, das sie Hunderten von Forschungsgruppen kostenlos zur Verfügung stellen.

Sie haben dieser Aufgabe einen Großteil ihrer eigenen Recherche und fast die gesamte Laufzeit ihrer Presse geopfert. Doch damit haben sie eines der spannendsten Forschungsfelder der Materialwissenschaften vorangetrieben: die Untersuchung des elektronischen Verhaltens in 2D-Materialien wie Graphen, einatomig dicken Kohlenstoffschichten. Diese Systeme begeistern Physiker mit grundlegenden Einblicken in einige der exotischsten elektronischen Effekte der Quantenwelt und könnten eines Tages zu Anwendungen im Quantencomputing und in der Supraleitung führen – Elektrizität, die ohne Widerstand geleitet wird.

Es ist einfach, Graphen selbst herzustellen, indem man mit Klebeband Kohlenstoffschichten von Bleistiftminen (Graphit) abblättert. Um die komplexen elektronischen Eigenschaften dieses Materials zu untersuchen, müssen Forscher es jedoch auf einer außergewöhnlichen Oberfläche platzieren – einer perfekt flachen, schützenden Unterlage, die die schnell reisenden Elektronen von Graphen nicht beeinträchtigt. Hier kommt hBN als transparente Unterschicht oder Substrat ins Spiel. „Nach unseren Untersuchungen ist dies das idealste Substrat für die Unterbringung von Graphen oder anderen 2D-Geräten“, sagt Cory Dean, ein Physiker für kondensierte Materie an der Columbia University in New York City, der Teil des Teams war, das als erster die Ergebnisse erarbeitete wie man hBN und Graphen koppelt. „Es schützt Graphen einfach auf wunderbare Weise vor der Umwelt.“

Wenn eine hBN-Flocke mit Graphen in Kontakt kommt, kann sie auch wie eine Frischhaltefolie wirken und es ermöglichen, die Kohlenstofffolie präzise hochzuziehen und wieder abzulegen. Dadurch können Forscher Geräte herstellen, indem sie mehrere Schichten zweidimensionaler Materialien wie ein Sandwich stapeln (siehe „Graphen-Sandwich“).

Seit letztem Jahr schwärmen Materialwissenschaftler beispielsweise von der Entdeckung, dass das Material durch eine einfache Fehlausrichtung zweier Graphenschichten um genau 1,1° – ein „magischer Winkel“ – bei sehr niedrigen Temperaturen zu einem Supraleiter werden kann. Und im Juli berichteten Forscher über Anzeichen von Supraleitung, wenn drei Graphenschichten übereinander gestapelt wurden – ohne dass eine Verdrehung erforderlich war. Diese Forschungsstudien verwendeten, wie Hunderte andere auch, Splitter von hBN von Taniguchi und Watanabe, um ihre Proben zu schützen. „Wir sind einfach involviert“, sagt Taniguchi bescheiden. „Es ist eine Art Nebenprodukt für uns.“ Dean ist vom hBN des Paares überschwänglicher: „Es ist wirklich der unbesungene Held des Prozesses“, sagt er. "Es ist überall."

Weder Taniguchi noch Watanabe sind Graphenforscher und sie hatten keine Ahnung, dass ihre Edelsteine ​​so begehrenswert werden würden. Mittlerweile verfügen die Forscher über mehrere Patente im Zusammenhang mit ihrem hBN-Herstellungsverfahren, geben jedoch an, dass sie nicht damit rechnen, es kommerzialisieren zu können – derzeit benötigen nur Forschungsgruppen Kristalle höchster Reinheit. Es gibt jedoch einen beträchtlichen Vorteil. Da dem Paar die Urheberschaft an Studien mit ihren Kristallen zugeschrieben wird, gehören sie zu den Forschern mit den meisten Veröffentlichungen weltweit. Gemeinsam traten Taniguchi und Watanabe letztes Jahr als Autoren in 180 Artikeln auf – und seit 2011 haben sie gemeinsam 52 Artikel in Science and Nature verfasst, was sie zu den produktivsten Forschern in diesen Zeitschriften in den letzten acht Jahren macht (siehe „Crystals in Nachfrage').

Ihr Kristallimperium wird möglicherweise nicht ewig bestehen bleiben: Taniguchi nähert sich dem Rentenalter und andere Forschungsgruppen versuchen, hochwertiges hBN herzustellen, was dazu beitragen könnte, das Angebot zu verbessern und die Forschung zu beschleunigen. Aber im Moment sind Physiker etwas zurückhaltend, unbewiesene Proben zu testen, wenn sie wissen, dass die NIMS-Proben so gut funktionieren, sagt Philip Kim, ein führender Physiker für kondensierte Materie an der Harvard University in Cambridge, Massachusetts. „Warum Watanabe und Taniguchi? Weil ihr Kristall der Beste ist.“

Die riesige hydraulische Presse befindet sich in einem höhlenartigen Industrieraum im Tsukuba-Labor, der vom ständigen Summen der Maschinen und dem Licht erfüllt ist, das durch hohe Fenster hereinströmt und staubige Strahlen auf die darunter liegende Ausrüstung wirft. Die Maschine wurde zwischen 1982 und 1984 gebaut, als das Labor Teil des National Institute for Research in Inorganic Materials (NIRIM) war, einem der Vorläufer von NIMS. Taniguchi kam fünf Jahre später, nachdem er eine Postdoktorandenstelle am Tokyo Institute of Technology verlassen hatte. Die Presse war ursprünglich für die Herstellung von Diamanten konzipiert, doch in den 1990er Jahren startete die japanische Regierung ein Forschungsprogramm mit dem Namen „Beyond Diamond“, um das nächste große Ding in ultraharten Materialien zu finden, möglicherweise zum Schneiden von Substanzen oder zur Verwendung in Halbleitern.

Einer der Spitzenkandidaten des Programms war Bornitrid in seiner kubischen Kristallform (cBN) – einer dichten Struktur, in der Bor- und Stickstoffatome wie die Kohlenstoffatome in Diamant angeordnet sind. Taniguchi konzentrierte sich zunächst auf die Züchtung von ultrareinem cBN in der Presse – doch seine Gruppe konnte Verunreinigungen, vereinzelte Kohlenstoff- und Sauerstoffanteile, die bei der Probenvorbereitung eingedrungen waren, nicht beseitigen, sodass die Kristalle einen unerwünschten matten, bräunlichen Schimmer aufwiesen . Als Nebenprodukt erzeugte der Prozess jedoch klares hBN, in dem Schichten hexagonal angeordneter Atome leicht übereinander gleiten, analog zu den Kohlenstoffschichten in Graphit.

Watanabe, ein Materialwissenschaftler und Spektroskopiker, kam 1994 zu NIRIM, gerade als das Beyond Diamond-Programm begann. Er verbrachte einige Jahre damit, die optischen Eigenschaften von Diamanten zu untersuchen. Doch inmitten einer institutsweiten Initiative zur interdisziplinären Zusammenarbeit im Jahr 2001 klopfte Taniguchi an Watanabes Tür und lud ihn ein, einen Blick auf seine cBN-Kristalle zu werfen.

Die beiden Forscher haben unterschiedliche Stile. Taniguchi ist bekannt für seine Partys, er lässt die Musik von Queen durch das Labor schallen, während er bis spät in die Nacht die Presse leitet, und spielt auch mit 60 Jahren immer noch mittags mit seinen Kollegen Fußball. Watanabe, drei Jahre jünger, spricht sanft, ist detailorientiert und spielt lieber Tennis. Doch die Wissenschaftler arbeiteten gut zusammen und veröffentlichten 2002 ihre erste Arbeit über cBN-Kristalle.

Ein Jahr später beschwerte sich Watanabe über die Qualität des cBN, den Taniguchi ihm zuspielte, und warf einen Blick auf eine Schachtel mit Abwürfen aus der Presse. Die hBN-Kristalle erregten seine Aufmerksamkeit und er beschloss, ihre Eigenschaften zu untersuchen. Taniguchi war skeptisch: „Ich sagte: ‚Das ist hBN – das langweilige Zeug!‘“ Watanabe entdeckte jedoch etwas Neues: Das hBN leuchtete unter ultraviolettem Licht – anders als der Diamant oder das cBN, das er schon seit Jahren betrachtet hatte. „Es war der aufregendste Moment meiner Karriere“, sagt er – eine Erkenntnis, die ihn noch Wochen danach begeisterte. Das Paar berichtete über dieses Ergebnis im Mai 2004 und schlug vor, dass hBN ein vielversprechender Kristall für UV-Laser sein könnte.

Später in diesem Jahr kursierte ein Vorabdruck des Physikers Andre Geim und seines Teams von der Universität Manchester, Großbritannien. Sie hatten erfolgreich einzelne Atomschichten aus Graphen isoliert und damit die Begeisterung für atomar dünne 2D-Materialien ausgelöst. Die hektische Aktivität beobachteten Taniguchi und Watanabe neugierig. „Wir hatten keine Ahnung von 2D-Materialien“, sagt Taniguchi. Doch ein halbes Jahrzehnt später würden 2D-Materialforscher davon erfahren.

Im Jahr 2009 gab es im Graphenbereich ein Problem. Theoretisch war das Material bemerkenswert, aber die Forscher hatten Mühe, sein volles Potenzial auszuschöpfen. Das Problem schien darin zu liegen, dass Graphen, da es nur ein einziges Atom dick ist, sich an die Form der Oberfläche anpasst, auf der es platziert wird. Die Ebenheit, die das Material einzigartig macht, geht verloren, wenn dieser Untergrund nicht ebenso eben ist. Da Graphen außerdem so dünn ist, stehen die darin wandernden Elektronen im Wesentlichen in Kontakt mit dem Substrat, auf dem es ruht. Das bedeutet, dass das Substrat äußerst rein sein muss: Jegliche Verunreinigungen führen zur Streuung der Elektronen und verringern so die Elektronenmobilität. Die Standardsubstrate aus Siliziumoxid waren nicht gut genug und schienen die Leistung von Graphen einzuschränken.

James Hone, Maschinenbauingenieur an der Columbia University, und sein damaliger Postdoktorand Cory Dean hatten ein besseres Substrat im Sinn: hBN. Es ist atomar flach und verfügt außerdem über eine große Bandlücke – das heißt eine große Energiebarriere, die verhindert, dass an Atome gebundene Elektronen in einen beweglichen, leitenden Zustand springen. Das macht hBN zu einem guten Isolator.

Zufällig hatte ein anderer Postdoktorand von Hone, Changgu Lee, Erfahrung mit dem Zeug. Er untersuchte die mechanischen und elektrischen Eigenschaften von 2D-Materialien und hatte bereits hBN-Proben von einem kommerziellen Unternehmen bezogen, das hBN für die Kosmetikindustrie herstellte; Einige Eyeliner enthalten bis zu 25 % Bornitrid. Eines Tages, als die drei vor dem Abteilungsgebäude saßen und Sandwiches aßen, schlug Hone Lee vor, Dean etwas von seinem hBN zu geben, damit Dean versuchen könne, es als Graphensubstrat zu verwenden. Lee freute sich darüber, fügte jedoch hinzu, dass er in der Literatur von einer möglicherweise qualitativ hochwertigeren Option gelesen habe: den größeren, reineren hBN-Kristallen, die am NIMS von Taniguchi und Watanabe hergestellt wurden. Es gab nur ein Problem: Er hatte sie schon früher kontaktiert, aber die Kommunikation war ins Stocken geraten. Hone schlug vor, Philip Kim – „den berühmtesten Mann in Sachen Graphen“, wie Lee sagt, und damals Fakultätsmitglied an der Columbia University – zu bitten, eine Anfrage für sie zu schreiben.

Dies funktionierte und Kim, Lee und Dean wurden die ersten externen Nutzer der NIMS-Kristalle für die Graphenforschung. Dean brauchte ein Jahr, um in Zusammenarbeit mit den Doktoranden Andrea Young und Inanc Meric herauszufinden, wie man Graphen- und hBN-Flocken konsistent miteinander in Kontakt bringen kann. Aber die Ergebnisse waren atemberaubend. Basierend auf den NIMS-hBN-Proben war die Rauheit des Graphens im Vergleich zu Graphen auf einem Siliziumoxidsubstrat um zwei Drittel reduziert – und die Elektronenmobilität war 10 bis 100 Mal besser.

Das Team präsentierte seine Ergebnisse auf der jährlichen Graphene Week-Konferenz im April 2010 an der University of Maryland in College Park – und „allen die Augen hoch“, sagt Kim. „Es war eine Sensation.“ Jeder wollte sofort wissen, wie man an das hBN kommt – auch Geim, der in diesem Jahr für seine Arbeit über Graphen den Nobelpreis für Physik erhielt. Er schickte Kim eine E-Mail mit einer Frage: „Philip: Was ist die Quelle?“

Taniguchi und Watanabe wurden plötzlich mit Anfragen und Bitten um Proben überhäuft. Doch als Geim, ein Konkurrent von Kim, sie fragte, zögerten sie mit einer Antwort. „Die Dinge hätten kompliziert werden können“, sagt Taniguchi. „Wir haben den Kristall hergestellt – sie haben das Grundstück gefunden.“ Er fragte Kim: Wäre es in Ordnung, andere Gruppen zu beliefern – einschließlich ihrer direkten Konkurrenten? „Natürlich“, sagte Kim. „Eine kleine Forschungsgruppe an der Columbia sollte Ihren Kristall nicht monopolisieren“, erinnert sich Taniguchi.

Heute haben Taniguchi und Watanabe Vereinbarungen zur Belieferung von mehr als 210 Institutionen auf der ganzen Welt. Taniguchi bereitet die Kristalle für den Versand in einem Büro am Rande des Labors vor, wo Stapel durchsichtiger Plastikschalen mit Probenchargen um Mikroskope auf einer Theke verstreut sind. Taniguchis aktuelle Charge ist die Nummer 942 – die neueste in seinen Aufzeichnungen, die über ein Jahrzehnt zurückreichen. Das Gesamtgewicht der Kristalle in jeder Packung – die vier verschiedene Proben aus vier Pressläufen enthält – beträgt etwa ein Gramm. Aber das kann eine ganze Forschungsgruppe ein Jahr lang am Laufen halten.

Taniguchi und Watanabe hätten nicht ausdrücklich darum gebeten, vollwertige Co-Autoren der Arbeiten zu sein, sagen sie. Um die Proben zu erhalten, unterzeichnen Benutzer einen Materialtransfervertrag mit NIMS. Viele Forscher sagen, dass der Co-Autorenstatus des Paares die Bedeutung der Probenzüchter auf diesem Gebiet widerspiegelt. „Ohne ihre Proben, ohne ihre Beteiligung glaube ich nicht, dass das, was wir tun, zum jetzigen Zeitpunkt möglich ist, daher ist es wirklich verdient, die Urheberschaft zu teilen“, sagt Kim.

Der schlimmste Teil des Versorgungsvorgangs sei der Papierkram, sagt Watanabe. „Es ist eine harte Bürde – sehr schwer“, sagt er. Autoren am NIMS müssen individuelle Berichte bei ihren Vorgesetzten einreichen, wenn sie eine Arbeit einreichen, wenn sie angenommen wird und wenn sie veröffentlicht wird. Watanabe, der Juniorpartner und der detailorientiertere der beiden, übernimmt die Aufgabe. Er nutzt eine App auf seinem Laptop, um den Überblick über die mittlerweile über 700 Artikel und Vorabdrucke des Paares zu behalten.

In den meisten Studien beschränkt sich die Interaktion zwischen Taniguchi und Watanabe auf die Bereitstellung der Kristalle und, so hoffen sie, auf das Einholen von Rückmeldungen dieser Gruppen zur Kristallqualität. Nicht jeder nimmt sich die Zeit, zurückzuschreiben, sagt Taniguchi zu seiner Enttäuschung. Aber ihre Arbeit mit den Mitgliedern der ursprünglichen Columbia-Gruppe – und den Gruppen der zweiten Generation, die die ehemaligen Columbia-Studenten gründeten, als sie anderswo ihre eigenen Labore gründeten – bleibt eine echte Zusammenarbeit. „Sie waren in diesem Prozess phänomenale Partner“, sagt Dean. „Sie haben mit uns zusammengearbeitet, um sowohl Bornitrid bereitzustellen, als auch herauszufinden, wie wir die Dinge sauberer machen und eine Vielzahl von Dingen herstellen können, die für uns interessant sind.“

Nach der Präsentation der Graphene Week 2010 war beispielsweise ein Postdoktorand in Kims Labor namens Pablo Jarillo-Herrero der erste, der das japanische Paar nach Kristallen fragte. Er leitet jetzt das Team am Massachusetts Institute of Technology in Cambridge, das letztes Jahr über Supraleitung in verdrillten Doppelschichten aus Graphen berichtete – einer Konfiguration, die durch zwei Schichten aus hBN von Taniguchi und Watanabe geschützt ist. Und als die Physikerin Rebeca Ribeiro-Palau 2017 aus Deans Gruppe wechselte, um ihr eigenes Team am Zentrum für Nanowissenschaften und Nanotechnologie in Palaiseau, Frankreich, zu leiten, nahm sie sofort Kontakt mit dem japanischen Paar auf. „Die Zusammenarbeit mit ihnen war der erste Schritt, noch bevor das Labor eröffnet wurde“, sagt sie.

Graphen ist nicht das einzige 2D-Material, das von hBN profitiert, fügt Ribeiro-Palau hinzu. Beispielsweise wurden auch Schichten komplexerer Materialien, sogenannte Übergangsmetalldichalkogenide, gestapelt und verdreht, um ihre elektronischen Eigenschaften zu modifizieren, was wiederum hBN erfordert. „Es ist genau das, was Sie brauchen, um die Materialien zu verkapseln, sie zu schützen, ihnen unterschiedliche Eigenschaften zu verleihen und den Abstand zwischen den Schichten zu verändern. Wir verwenden Bornitrid für fast alles“, sagt Ribeiro-Palau.

Es mehren sich die Hinweise, dass hBN in solchen Geräten mehr als nur eine unterstützende Rolle übernehmen kann. Die Ausrichtung der hexagonalen Struktur von hBN mit einer der Schichten aus verdrilltem Graphen kann die Symmetrie der Graphenschichten brechen und die Art und Weise verändern, wie Elektronen interagieren. Dies geht aus separaten Vorabdrucken hervor, die dieses Jahr von Teams unter der Leitung von David Goldhaber-Gordon an der Stanford University in Kalifornien veröffentlicht wurden und Andrea Young, jetzt an der University of California, Santa Barbara.

Auch hexagonales Bornitrid wird zunehmend als eigenständiges, faszinierendes 2D-Material anerkannt. In Infrarotlicht getaucht, fungiert hBN als Hyperlinse: Es kann Licht fokussieren und Bilder erzeugen, die schärfer sind, als es die klassische Physik zulässt. Und es hat Potenzial als Material, das einzelne Photonen emittieren kann – eine nützliche Funktion für die Quantenkryptographie. Watanabes Entdeckung, dass das Material als UV-Laser nützlich sein könnte, findet immer noch Beachtung, und sein primäres Forschungsziel bleibt die Erforschung, wie dies geschieht.

Ein Teil dieser Arbeit wird mit hBN durchgeführt, das mit Methoden gezüchtet wird, die Proben von geringerer Qualität produzieren, wie beispielsweise die Abscheidung des Kristalls in einem dünnen Film aus einem chemischen Dampf, der keine hohen Drücke erfordert. Aber für Graphenforscher bleiben die Kristalle von Taniguchi und Watanabe die erste Wahl. „Im Laufe der Jahre haben wir vier oder fünf andere hBN-Quellen ausprobiert und sie waren alle Müll“, sagt Geim. Da hochreines hBN knapp ist, behindert dies den Fortschritt in der globalen Graphenforschung, sagt er.

Andere Teams beginnen aufzuholen. Eine Gruppe unter der Leitung des Chemieingenieurs James Edgar an der Kansas State University in Manhattan ist nun nahe daran, die erforderliche Qualität zu erreichen, um mit dem Verfahren von Taniguchi und Watanabe mithalten zu können, bemerkt Geim. Edgar sagt, es sei nicht einfach, die Arbeit des japanischen Teams zu kopieren, weil es eine teure, riesige Druckmaschine habe. Aber seine Proben, die durch ein einfacheres – und viel billigeres – Verfahren hergestellt wurden, bei dem ein mit Bornitrid und einem Nickel-Chrom-Lösungsmittel in Pulverform gespeister Ofen zum Einsatz kommt, seien für Zwecke der Graphenforschung „genauso gut oder fast genauso gut“, sagt er. Allerdings weisen sie derzeit zehnmal mehr Kristalldefekte oder Unvollkommenheiten in ihrer Struktur auf.

Taniguchi seinerseits genießt die Aussicht auf Herausforderer um ihre Krone und die Chance, sich gegenseitig dazu zu drängen, reinere und perfektere Kristalle zu züchten. „Wir kämpfen für die Verbesserung unserer Systeme“, sagt er, „aber wir brauchen viele Mitarbeiter – und auch Konkurrenten.“

Im Juli dieses Jahres wurde Taniguchi 60 Jahre alt – das Alter, in dem Forscher am NIMS in den Ruhestand gehen. Das war Kim ein Anliegen. „Ich sagte ihm: ‚Hey, Takashi, der gesamte Bereich der 2D-Forschung ist jetzt in Gefahr. Also sollten wir etwas unternehmen!‘“ Zum Glück für den 2D-Bereich gewährte NIMS Taniguchi eine Gnadenfrist: Anfang des Jahres wurde er auf eine Fellow-Position befördert, die es ihm ermöglicht, bis zu seinem 65. Lebensjahr zu arbeiten. Einen Nachfolgeplan hat er noch nicht entwickelt. oder einen Schützling identifiziert.

Vorerst leitet er die Presse weiterhin allein. Zurück in seinem Labor bereitet er die nächste Charge – Nummer 943 – vor und füllt eine frische, fingerhutgroße Kapsel mit weißen Bornitridscheiben in der Größe von Pfefferminzbonbons. Dazwischen platziert er eine Schicht aus Bariumnitrid und anderen Bariumverbindungen, die sich zusammen mit dem Bornitrid auflösen und als Lösungsmittel und Katalysator fungieren, um das Kristallwachstum zu unterstützen und Verunreinigungen zu absorbieren.

Über das genaue Rezept hält sich Taniguchi zurückhaltend: Dies ist seine geheime Soße, und er ändert gern die Zusammensetzung der Bariumschicht von Charge zu Charge. „Jedes Mal das gleiche Rezept zu verwenden, macht nicht so viel Spaß“, sagt er. Für Erstanwender schickt er einige Basiskristalle, aber bei Langzeitanwendern möchte er Feedback zu jeder kleinen Änderung am Prozess. Durch die Messung der Elektronenmobilität in Graphen können sie Verunreinigungen im darunter liegenden hBN mit größerer Empfindlichkeit erkennen, als Taniguchi und Watanabe messen können. Zunächst hatte niemand Beschwerden über ihre Kristalle. Erst in den letzten zwei Jahren, sagt Taniguchi, hätten Forscher damit begonnen, Verunreinigungen zu melden, die ihre Ergebnisse beeinträchtigen – ein Ergebnis davon, dass sie die Grenzen des Materials ausreizten. Und das motiviert Taniguchi, sich zu verbessern. „Ich bin Kristallzüchter“, sagt er stolz.

Er klettert über die Pressplattform und hockt sich in die Backen der Maschine, um die neue Kapsel zu platzieren. Zurück zur Steuerung: Ein paar Knopfdrücke und der untere Amboss beginnt sich vom Boden zu erheben und auf den Kern zu treffen. Während eine rote Digitalanzeige die Distanz herunterzählt, wischt Taniguchi mit einem Taschentuch etwas Schmutz von der Konsole.

Trotz jahrzehntelanger Arbeit an der Züchtung von Kristallen in der Presse gebe es immer noch viel zu entdecken über die grundlegende Physik, wie der Prozess funktioniert, sagt er. Was tatsächlich in der Kapsel passiert, wenn die Presse zudrückt, bleibt ein Rätsel. „Niemand weiß, wie man es misst, wie man darüber nachdenkt, was passiert, wie der Kristall wächst. Es ist nur Einbildung.“

Dieser Artikel wird mit Genehmigung reproduziert und erstmals am 21. August 2019 veröffentlicht.

Meghan Bartels

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