Лена Куркутис, магистр наук 2006 года, доктор философии 2009 года, и Джуди Ча, доктор философии 2009 года, на фото 2023 года, были в первой когорте докторантов в исследовательской лаборатории Дэвида Мюллера в 2003 году. Два года назад у них наконец появилась возможность поработать вместе, но как раз в начале проекта Куркутис умерла. Ей было 44 года. Источник: Корнелльский университет
Не ностальгия привела Джуди Ча, доктора философии 2009 года, обратно в Корнелл. Среди причин, по которым она покинула Йельский университет и присоединилась к факультету материаловедения и инженерии два года назад, была перспектива работы со старой подругой: Леной Куркутис, магистр наук 2006 года, доктор философии 2009 года.
В 2003 году они были в первой когорте докторантов в исследовательской лаборатории Дэвида Мюллера, профессора инженерии имени Сэмюэля Б. Экерта в Корнеллском инженерном институте, и Ча и Куркутис делили офис в течение шести лет. Теперь они оба были признанными учеными со своими собственными исследовательскими лабораториями.
Куркутис была пионером в области сканирующей просвечивающей электронной микроскопии (СТЭМ), которую можно было проводить in situ при криогенных температурах, и Ча с нетерпением ждала возможности использовать эту технику визуализации в своей работе, исследуя новые электронные свойства и фазовые превращения квантовых наноматериалов.
«Я была так рада работать с Леной», — сказала Ча. «Это было похоже на то, что мы обе наконец-то утвердились, наша личность в безопасности, давайте работать вместе».
Но как только их сотрудничество началось, оно закончилось. Куркутис умерла в июне 2023 года в возрасте 44 лет.
Однако их недолгое сотрудничество дало достаточно результатов для серии статей, последняя из которых была опубликована 6 августа в Proceedings of the National Academy of Sciences.
«Я считаю это ее прощальным подарком мне», — сказал Ча. «Я надеюсь, что она гордится этой работой. Я действительно так думаю».
Cornell Engineering недавно провел мемориальный симпозиум, в котором чествовали Куркутис и влияние ее научных исследований, профессиональной деятельности и лидерства в обществе. Около сотни подопечных, сотрудников и коллег собрались на это мероприятие, длившееся выходные.
«Она все отладила»
Команда Ча приступила к изучению микроструктуры дисульфида тантала (TaS2), наноматериала, в котором наблюдается явление, известное как волна плотности заряда (CDW), в котором атомы искажаются в периодическом порядке, изменяя электронные свойства материала. Известно, что CDW переводит TaS2 из проводника в изолятор. Но когда материал истончается, CDW исчезает. Никто не знает почему.
«Наша первоначальная идея состояла в том, чтобы напрямую обнаружить его внутри электронного микроскопа как функцию толщины и попытаться увидеть, можем ли мы что-то добавить к этой головоломке», — сказал Ча.
Чтобы заставить CDW появиться в дисульфиде тантала, материал нужно охладить до -190 °C — температуры жидкого азота. Это означало, что исследователям нужен был электронный микроскоп, который мог бы работать при -200 °C.
«Корнелл — одно из немногих мест в мире, где есть эксперты в этом», — сказал Ча. «И это было впервые сделано Леной».
Метод криовизуализации Куркутиса позволил ученым изучать структуру энергии, кванта и даже биологических материалов с точностью до пикометра, изменяя температуру. В последние годы этот метод принес целый ряд открытий: от выяснения причин выхода из строя литиевых батарей до фиксации физических и химических взаимодействий, которые секвестрируют углерод в почве, и выявления крошечных химических дефектов, которые приводят к кариесу зубов.
«Если вы не можете контролировать температуру, вы не можете повторить эксперимент на том же образце. Это всего лишь одноразовое наблюдение», — сказал Ча. «Лена сделала так, что мы можем контролировать температуру и при этом делать потрясающие снимки. Она отладила все и решила все технические проблемы. Теперь это действительно позволяет вам заниматься наукой».
Члены исследовательской группы Ча работали с командой Куркутис, чтобы изучить их методы крио-STEM. Куркутис также была щедра, позволив группе Ча использовать экспериментальную установку своей лаборатории.
«Я так многому научился у Лены и ее группы в ходе этого сотрудничества», — сказал соавтор статьи Джеймс Харт, бывший научный сотрудник, который сейчас работает в Военно-морской исследовательской лаборатории. «Ее опыт в области крио-STEM направлял все эксперименты. Работать с Леной было настоящим удовольствием».
Полученное изображение дало так много многомерных данных, что исследователи обратились к Ын-А Ким, профессору физики Колледжа искусств и наук, который использовал машинное обучение, чтобы проанализировать наборы данных команды в терабайтном масштабе, чтобы определить основное поведение TaS2. /p>
«Наша методика машинного обучения была разработана для больших объемов данных рентгеновской дифракции, но я всегда думал, что этот подход применим и к другим типам зондов», — сказал Ким. «Было интересно попробовать данные крио-STEM в качестве первого нового экспериментального зонда, который будет протестирован. Мы в восторге от того, что это первое приключение оказалось плодотворным».
В конечном итоге исследователи обнаружили, что по мере того, как TaS2 становится тоньше, его слои содержат все больше и больше дефектов укладки. Дефекты изменяют температуру фазового перехода CDW почти на 75 Кельвинов, и переход закрепляется в определенном месте дефекта. Это предотвращает переход проводящих CDW в изоляторы.
Управляя этими дефектами, исследователи ожидают, что смогут создавать потенциальные устройства памяти.
В более широком масштабе результаты показывают важную роль, которую микроструктура материала, в частности дефекты, могут играть в воздействии на его свойства. В то время как введение дефектов в металлы является обычным способом создания более прочного, более пластичного продукта (представьте себе кузнецов, бьющих молотом в своей мастерской), для электронных и квантовых материалов дефекты были усиленно избеганы. Ча надеется изменить это.
«Традиционно мы всегда изучаем идеальные объемные кристаллы, настолько идеальные, насколько мы можем их получить, и мы проводим нейтронное или дифракционное рассеяние или какие-то транспортные измерения, которые являются глобальным свойством», — сказала она. «Эта информация о микроструктуре в реальном пространстве в значительной степени отсутствует. Мы не думаем об этом. Сейчас самое время подумать об этом, особенно потому, что теперь у нас есть крио-STEM, который может достигать соответствующих температур».
У группы Ча есть еще несколько статей в разработке, в которых Куркутис указан в качестве соавтора, как и ряд других инженерных факультетов.
«Я думаю, что еще много статей выйдет в течение следующих как минимум двух-трех лет, потому что наука занимает много времени», — сказала Ча. «Она участвовала во многих проектах, пока не наступил месяц до ее смерти. Она была таким преданным исследователем, и ее влияние имеет далеко идущие последствия. Я действительно хочу воздать ей должное».
Дополнительная информация: Джеймс Л. Харт и др., Визуализация в реальном пространстве перехода волны зарядовой плотности, опосредованного дефектами, Труды Национальной академии наук (2024). DOI: 10.1073/pnas.2402129121
Информация о журнале: Труды Национальной академии наук
Предоставлено Корнельским университетом
