研究人员的低温成像继续推动量子发现
2009 年博士生 Judy Cha 重返康奈尔并非出于怀旧之情。两年前，她离开耶鲁大学并加入材料科学与工程系的原因之一是希望能与一位老朋友共事：Lena Kourkoutis，2006 年硕士生，2009 年博士生。
2003 年，他们是康奈尔大学工程系 Samuel B. Eckert 工程教授 David Muller 研究实验室的首批博士生，Cha 和 Kourkoutis 曾共用一间办公室达六年之久。如今，他们都是知名学者，拥有自己的研究实验室。
Kourkoutis 率先采用了一种可在低温下原位进行的扫描透射电子显微镜(STEM) 技术，Cha 期待在她的工作中使用这种成像技术，探索量子纳米材料的新型电子特性和相变。
“我很高兴能和莉娜合作，”查说。“感觉就像，我们终于都站稳了脚跟，我们的身份都很稳固，让我们一起合作吧。”
但两人的合作才刚刚开始，就结束了。库尔库蒂斯于 2023 年 6 月去世，享年 44 岁。
然而，他们短暂的合作产生了足够的发现以形成一系列论文，其中最新的一篇于8 月 6 日发表在《美国国家科学院院刊》上。
“我认为这是她送给我的离别礼物，”查说。“我希望她为我的作品感到骄傲。我是真心实意的。”
康奈尔工程学院最近举办了一场纪念研讨会，以纪念库尔库蒂斯以及她的科学研究、专业服务和社区领导的影响。大约一百名学员、合作者和同事齐聚一堂，参加了为期一周的活动。
“她调试了所有东西”
Cha 的团队着手研究二硫化钽 (TaS 2 ) 的微观结构，这是一种纳米材料，具有一种称为电荷密度波 (CDW) 的现象，其中原子以周期性顺序扭曲，从而改变材料的电子特性。已知 CDW 可将 TaS 2从导体转变为绝缘体。但是当材料变薄时，CDW 就会消失。没有人知道原因。
Cha 表示： “我们最初的想法是将其作为厚度的函数直接定位在电子显微镜内部，并尝试看看是否可以解决这个难题。”
为了使二硫化钽中出现 CDW，需要将材料冷却至 -190°C(液氮温度)。这意味着研究人员需要一台能在 -200°C 下工作的电子显微镜。
“康奈尔大学是世界上少数几个拥有这方面专业知识的地方之一，”Cha 说。“而这是 Lena 开创的。”
Kourkoutis 的低温成像方法使科学家能够在改变温度的情况下以皮米级精度研究能量、量子甚至生物材料的结构。近年来，这种方法产生了广泛的发现，从揭示锂电池失效的原因，到捕捉土壤中碳封存的物理和化学相互作用，再到揭示导致蛀牙的微小化学缺陷。
“如果你不能控制温度，你就无法对同一样本重复实验。这只是一次性观察，”Cha 说。“Lena 做到了这一点，这样我们就可以控制温度，同时还能拍摄出令人惊叹的图像。她调试了所有问题，解决了所有技术难题。现在它真的可以让你做科学研究了。”
Cha 研究小组的成员与 Kourkoutis 的团队合作，学习他们的低温 STEM 技术。Kourkoutis 还慷慨地让 Cha 团队使用她实验室的实验设备。
“在这次合作中，我从莉娜和她的团队那里学到了很多东西，”该论文的共同主要作者詹姆斯·哈特 (James Hart) 说道，他曾是博士后研究员，现在就职于海研究实验室。“她的低温 STEM 专业知识指导了所有实验。与莉娜一起工作真是一种乐趣。”
由于成像产生了大量高维数据，研究人员向文理学院物理学教授 Eun-Ah Kim 寻求帮助，她使用机器学习筛选团队的 TB 级数据集，以识别 TaS 2的潜在行为。
“我们的机器学习技术是为大量 X 射线衍射数据而开发的，但我一直认为这种方法也适用于其他类型的探测器，”Kim 说道。“作为第一个要测试的新实验探测器，尝试低温 STEM 数据是令人兴奋的。我们很高兴这次冒险取得了丰硕成果。”
研究人员最终发现，随着 TaS 2变薄，其层中堆积缺陷越来越多。这些缺陷使 CDW 相变温度改变近 75 开尔文，并且转变被固定在特定的缺陷位置。这阻止了导电 CDW 转变为绝缘体。
通过控制这些缺陷，研究人员预计能够创建潜在的记忆设备。
从更大范围来看，这些发现表明，材料的微观结构(尤其是缺陷)在影响其性能方面发挥着重要作用。虽然在金属中引入缺陷是制造更坚固、更柔韧的产品的常用方法(想想铁匠在车间里敲打铁艺)，但对于电子和量子材料来说，缺陷一直是人们极力避免的。Cha 希望改变这种现状。
“传统上，我们总是研究完美的块状晶体，尽可能完美，并且进行中子或衍射散射或某种具有全局特性的传输测量，”她说。“微观结构的实空间信息在很大程度上缺失了。我们没有考虑过这个问题。现在是考虑这个问题的好时机，特别是因为我们现在有了可以降至相关温度的低温 STEM。”
Cha 的研究小组还有几篇论文正在筹备中，Kourkoutis 是其中的合著者，其他一些工程学院的教师也一样。
“我认为未来至少两三年内还会有很多论文发表，因为科学研究需要很长时间，”Cha 说。“她参与了许多项目，直到去世前一个月左右。她是一位如此敬业的研究人员，她的影响深远。我真的想向她致敬。”