Medan man gör materialprover för att uppnå sina egna forskningsmål, forskare vid det amerikanska energidepartementets Ames Laboratory upptäckte att en oönskad biprodukt av deras experiment var ett extremt högkvalitativt och svårtillgängligt ämne som eftersöktes av forskare som forskar på skiktade material.

Med ett projektnamn som "Complex States, Emergent Phenomena &Superconductivity in Intermetallic and Metal-like Compounds" anar man omedelbart att teamet av vetenskapsmän bakom den titeln kan ha en talang för det konstiga, ovanlig, och aldrig tidigare sett. Ames Lab-gruppen undersöker metalliska och semimetalliska föreningar som har magnetiska, supraledande, eller andra egenskaper som är utformade för att undersöka de grundläggande mysterierna om hur korrelerade eller framväxande tillstånd kan bildas och, också, kan vara användbar i framtida tekniska applikationer, som att skapa energi, överföring och lagring samt kvantberäkning. Men innan de kan undersöka det konstiga, ovanlig, och aldrig tidigare sett, de måste klara det – så teamet har decennier av expertis i att skapa dessa material också.

Ett fokus för gruppens forskning är MgB ₂ , ett svårframställt supraledande material. Så svårt, faktiskt, att verktyget som används för att göra det kallas "Odjuret". Lurar i källaren i Ames Laboratorys Spedding Hall, odjuret är en petig, kraftfull, och gigantisk högtrycksugn som supervärmer och superklämmer ihop små mängder svåra att kombinera ingredienser till nya föreningar.

Mingyu Xu, en doktorand, har studerat MgB ₂ , och är intresserad av att växa ren och dopad, enkristallprover av materialet för att bättre förstå dess supraledande egenskaper. Han och Raquel Ribeiro, en docent vid institutionen för fysik och astronomi vid Iowa State University, arbeta tillsammans för att ladda specialdesignade keramiska kuber (i princip vulkanaska) med de små deglar (koppar) som kommer att värmas upp till temperaturer så höga som 2000 C°, och utsatt för tryck 30, 000 gånger högre än normalt atmosfärstryck.

"Vi måste vara väldigt exakta, mycket speciellt om hur vi förbereder och laddar proverna, " sa Ribeiro. "Om vi ​​gör ett misstag, om någon bit är ur linje, det går sönder, " Hon sa, förklarar den oförlåtliga processen att göra materialet. Så krävande är Odjuret, Xu och Ribeiro håller reda på sina misstag, som ett sätt att dokumentera hur man kan förbättra sina förberedelsemetoder och framgångsfrekvens.

När de lyckas, Xus fokus ligger på MgB ₂ , bokstavligen. Hans mikroskopbilder är skarpt fokuserade på glimten av bleka guldfärgade kristaller som bekräftar att Odjuret har förberett en framgångsrik, prov av hög kvalitet. Men bilderna fångar också något annat – det eftertraktade MgB ₂ är omgiven av ett bo av genomskinliga, flagnande material som är en biprodukt av processen, kallad hexagonal bornitrid, eller hBN.

"I åratal, vi försökte minimera denna irriterande andra fas, "sa Paul Canfield, Ames Lab fysiker, Distinguished professor och Robert Allen Wright professor i fysik och astronomi vid Iowa State University, och huvudutredare på projektet. "Vår strävan var efter MgB ₂ . Vi ville inte ha det där andra, och försökte optimera vår process för att minska mängden."

I hans samarbeten med fysiker vid andra institutioner, dock, han lärde sig att hans "irriterande andra fas" faktiskt var ett mycket eftertraktat och svårtillgängligt isolerande material för forskare som forskar om grafen, den 2D-skiktade halvmetallen som först upptäcktes 2010, och studeras för sina fascinerande och ovanliga elektrontransportegenskaper.

"Tänk dig att du upptäckte smörgåsen, och det är lätt att få i sig skinkan, men bröd är svårt att få tag på. Vitt bröd är tråkigt i sig, men om du har det kan du göra din smörgås, sa Canfield, "hBN är brödet för att göra den där smörgåsen." Lager av isolerande hBN separerar grafen och andra nya elektroniska och magnetiska material för att skapa nya heterostrukturer; nyfysiska smörgåsar med egenskaper som i slutändan kan ersätta transistorer.

Plötsligt, Canfields grupp fann sig hBN-bagare till andra forskares 2D-smörgås som gjorde ansträngningar - ett vetenskapligt sidoliv, om du vill. Xu och Ribeiro har justerat sin systematik för att driva Beast för att optimera både produktionen av MgB ₂ , och dess önskvärda biprodukt. Genom att göra så, Ames har utvecklats till att vara en av få källor till hBN i världen, spelar en nyckelroll i flera högprofilerade publikationer. Ames Laboratory har levererat hBN till MIT, Rutgers, Princeton, Cornell, Stanford, Lawrence Livermore, och andra institutioner. Den resulterande forskningen har presenterats i Naturkommunikation , Natur , och Vetenskap .

"Det är verkligen glädjande att vi har ett Department of Energy National Laboratory, inte bara sträva efter sina egna forskningsmål, men spelar också en viktig roll för att möjliggöra viktiga fysikupptäckter vid andra laboratorier och vid andra institutioner, sa Canfield.