Жизнь Милдред Дрессельхаус была жизнью вопреки всему. Дрессельхаус росла в бедности в Бронксе — и, что еще хуже, росла женщиной в 1940-х годах — традиционные варианты карьеры Дрессельхаус были мизерными. Вместо этого она стала одним из выдающихся мировых экспертов в области науки об углероде, а также первой женщиной-профессором института в Массачусетском технологическом институте, где она провела 57 лет своей карьеры. Она сотрудничала со светилами физики, такими как Энрико Ферми, и заложила основу для будущих исследований, получивших Нобелевскую премию, руководила Управлением науки в Министерстве энергетики США и сама была награждена Национальной медалью науки.
В приведенной ниже выдержке из книги Carbon Queen: The Remarkable Life of Nanoscience пионер Милдред Дрессельхаус , автор и заместитель главного редактора MIT News , Майя Вайншток, рассказывает о времени, когда Дрессельхаус сотрудничал с иранским американским физиком Али Джаваном, чтобы исследовать, как именно переносчики заряда, т.е. электроны — перемещаются в графитовой матрице, исследование, которое полностью перевернет понимание того, как работают эти субатомные частицы.
Отрывок из книги «Углеродная королева: замечательная жизнь пионера нанонауки Милдред Дрессельхаус » Майи Вайншток. Перепечатано с разрешения The MIT Press. Авторское право 2022.
КРИТИЧЕСКОЕ О ЛИЦЕ
У любого человека, чья научная карьера столь же длинна и успешна, как у Милдред С. Дрессельхаус, обязательно найдутся определенные статьи, которые могут немного затеряться в коридорах разума, — статьи, которые, возможно, делают лишь умеренные успехи или требуют относительно небольших усилий или вклада (когда, например, вы являетесь второстепенным автором-консультантом над статьей со многими соавторами). И наоборот, всегда есть выдающиеся работы, которые невозможно забыть — из-за их научного влияния, из-за того, что они совпали с особенно памятными периодами в чьей-то карьере, или просто из-за того, что они были уникальными или ужасными экспериментами.
Первая крупная исследовательская публикация Милли после того, как она стала постоянным членом факультета Массачусетского технологического института, попала в категорию выдающихся. Это было то, что она снова и снова описывала в воспоминаниях о своей карьере, отмечая это как «интересную историю для истории науки».
История начинается с сотрудничества между Милли и иранским американским физиком Али Джаваном. Родившийся в Иране в семье азербайджанцев, Джаван был талантливым ученым и отмеченным наградами инженером, который стал широко известен благодаря своему изобретению газового лазера. Его гелий-неоновый лазер, изобретенный вместе с Уильямом Беннеттом-младшим, когда они оба работали в Bell Labs, стал достижением, которое сделало возможным многие из наиболее важных технологий конца двадцатого века — от проигрывателей компакт-дисков и DVD до систем сканирования штрих-кода и современной волоконной оптики. .
После публикации нескольких статей, описывающих ее раннее магнитооптическое исследование электронной структуры графита, Милли хотела копнуть глубже, и Джаван захотел помочь. Они познакомились во время работы Милли в лаборатории Линкольна; она была большой поклонницей, однажды назвав его «гением» и «чрезвычайно творческим и блестящим ученым».
В своей новой работе Милли стремилась изучить уровни магнитной энергии в валентной зоне и зоне проводимости графита. Для этого она, Джаван и аспирант Пол Шредер использовали неоновый газовый лазер, который давал острую световую точку для исследования образцов графита. Лазер должен был быть построен специально для эксперимента, и потребовались годы, чтобы плоды их труда созрели; действительно, Милли переехала из Линкольна в Массачусетский технологический институт в разгар работы.
Если бы эксперимент дал только банальные результаты, в соответствии со всем, что команда уже знала, это все равно было бы новаторским упражнением, потому что это было одно из первых, в котором ученые использовали лазер для изучения поведения электронов в плазме. магнитное поле. Но результаты вовсе не были банальными. Через три года после того, как Милли и ее сотрудники начали свой эксперимент, они обнаружили, что их данные говорят им о чем-то, что казалось невозможным: расстояние между энергетическими уровнями в валентной зоне и зоне проводимости графита полностью отличается от того, что они ожидали. Как два десятилетия спустя Милли объяснила восторженной аудитории в Массачусетском технологическом институте, это означало, что «структура группы, которую все использовали до этого момента, определенно не могла быть правильной, и ее нужно было перевернуть с ног на голову».
Другими словами, Милли и ее коллеги собирались ниспровергнуть устоявшееся научное правило — одно из самых захватывающих и важных научных открытий, которые только можно сделать. Как и в знаменательной публикации 1957 года под руководством Чиен-Шиунг Ву, который опроверг давно принятую концепцию физики элементарных частиц, известную как сохранение четности, переворачивание с ног на голову устоявшейся науки требует высокой степени точности и уверенности в своих результатах. У Милли и ее команды было и то, и другое.
Их данные свидетельствовали о том, что ранее принятое размещение сущностей, известных как носители заряда, в электронной структуре графита на самом деле было обратным. Носители заряда, которые позволяют энергии течь через проводящий материал, такой как графит, по сути являются именно тем, что следует из их названия: чем-то, что может нести электрический заряд. Они также имеют решающее значение для функционирования электронных устройств, питаемых потоком энергии.
Электроны — хорошо известные носители заряда; эти субатомные биты несут отрицательный заряд, когда они перемещаются. Другой тип носителей заряда можно увидеть, когда электрон перемещается от одного атома к другому внутри кристаллической решетки, создавая что-то вроде пустого пространства, которое также несет заряд — равный по величине электрону, но противоположный по заряду. В том, что по существу является отсутствием электронов, эти носители положительного заряда известны как дырки.
РИСУНОК 6.1. На этой упрощенной диаграмме электроны (черные точки) окружают атомные ядра в кристаллической решетке. В некоторых случаях электроны могут вырваться из решетки, оставив пустое место или дырку с положительным зарядом. И электроны, и дырки могут перемещаться, влияя на электрическую проводимость внутри материала.
Милли, Джаван и Шредер обнаружили, что ученые использовали неправильное назначение дырок и электронов в ранее принятой структуре графита: они нашли электроны там, где должны быть дырки, и наоборот. «Это было довольно безумно», — заявила Милли в устном историческом интервью 2001 года. «Мы обнаружили, что все, что было сделано с электронной структурой графита до этого момента, было обращено на противоположное».
Как и в случае со многими другими открытиями, опровергающими общепринятые представления, признание этого откровения не было немедленным. Во-первых, журнал, в который Милли и ее сотрудники представили свою статью, первоначально отказался ее опубликовать. Пересказывая эту историю, Милли часто отмечала, что один из рецензентов, ее друг и коллега Джоэл МакКлюр, в частном порядке представился рецензентом в надежде убедить ее, что она досадно неправа. «Он сказал, — вспоминала Милли в интервью 2001 года, — Милли, ты не хочешь публиковать это. Мы знаем, где находятся электроны и дырки; как ты мог сказать, что они отсталые?»». Но, как и все хорошие ученые, Милли и ее коллеги проверяли и перепроверяли свои результаты множество раз и были уверены в их точности. Итак, Милли поблагодарила МакКлюра и сказала ему, что они убеждены в своей правоте. «Мы хотели публиковаться, и мы… рисковали разрушить свою карьеру», — вспоминала Милли в 1987 году.
Предоставив своим коллегам презумпцию невиновности, МакКлюр и другие рецензенты одобрили публикацию статьи, несмотря на выводы, противоречащие установленной структуре графита. Затем произошла забавная вещь: воодушевленные тем, что они увидели эти выводы в печати, другие исследователи появились с ранее собранными данными, которые имели смысл только в свете обратного распределения электронов и дырок. «Был целый поток публикаций в поддержку нашего открытия, которое нельзя было объяснить раньше», — сказала Милли в 2001 году.
Сегодня те, кто изучает электронную структуру графита, делают это, исходя из понимания размещения носителей заряда, почерпнутого Милли, Али Джаваном и Полом Шредером (который в итоге выдвинул довольно примечательный тезис, основанный на результатах группы). Для Милли, опубликовавшей эту работу в первый год работы в Массачусетском технологическом институте, эксперимент быстро укрепил ее репутацию выдающегося исследователя Института. Хотя многие из ее наиболее примечательных вкладов в науку были еще впереди, этим ранним открытием она будет гордиться до конца своей жизни.