ตีหนังสือ: งานวิจัยของ Mildred Dresselhaus พิสูจน์ได้อย่างไรว่าเรามีกราไฟท์ผิดทั้งหมด

ชีวิตของมิลเดร็ด เดรสเซลเฮาส์เป็นหนึ่งในการท้าทายของอัตราต่อรอง การเติบโตขึ้นมาอย่างยากจนในบรองซ์ — และยิ่งทำให้เสียเปรียบมากขึ้นไปอีก การเติบโตขึ้นมาเป็นผู้หญิงในทศวรรษที่ 1940 — ตัวเลือกอาชีพตามประเพณีของ Dresselhaus นั้นค่อนข้างน้อย เธอกลับลุกขึ้นมาเป็นหนึ่งในผู้เชี่ยวชาญชั้นนำของโลกในด้านวิทยาศาสตร์คาร์บอน เช่นเดียวกับศาสตราจารย์หญิงคนแรกของสถาบันที่ MIT ซึ่งเธอใช้เวลา 57 ปีในอาชีพการงานของเธอ เธอร่วมมือกับผู้ทรงคุณวุฒิด้านฟิสิกส์ เช่น เอนริโก แฟร์มี และวางรากฐานที่จำเป็นสำหรับการวิจัยรางวัลโนเบลในอนาคต กำกับสำนักงานวิทยาศาสตร์ที่กระทรวงพลังงานสหรัฐฯ และทำให้เธอได้รับรางวัลเหรียญวิทยาศาสตร์แห่งชาติ

ในข้อความที่ตัดตอนมาด้านล่างจาก Carbon Queen: The Remarkable Life of Nanoscience Pioneer Mildred Dresselhaus ผู้ เขียนและรองผู้อำนวยการกองบรรณาธิการที่ MIT News Maia Weinstock เล่าถึงเวลาที่ Dresselhaus ร่วมมือกับ Ali Javan นักฟิสิกส์ชาวอิหร่านชาวอเมริกันเพื่อตรวจสอบว่าผู้ให้บริการชาร์จ – ie อิเล็กตรอน — เคลื่อนที่ไปมาภายในเมทริกซ์กราไฟต์ งานวิจัยที่จะพลิกความเข้าใจของภาคสนามว่าอนุภาคย่อยของอะตอมเหล่านี้ทำงานอย่างไร

ฝาครอบราชินีคาร์บอน

MIT Press

ตัดตอนมาจาก Carbon Queen: The Remarkable Life of Nanoscience Pioneer Mildred Dresselhaus โดย Maia Weinstock พิมพ์ซ้ำโดยได้รับอนุญาตจากสำนักพิมพ์ MIT ลิขสิทธิ์ 2022


A CRITICAL ABOUT-FACE

สำหรับใครก็ตามที่มีอาชีพการวิจัยมายาวนานและประสบความสำเร็จเทียบเท่ากับงานของ Mildred S. Dresselhaus อาจมีเอกสารบางฉบับที่อาจหลงทางไปบ้างในทางเดินของจิตใจ—เอกสารที่ก้าวย่างปานกลางเท่านั้น บางที หรือนั่น เกี่ยวข้องกับความพยายามหรือข้อมูลเพียงเล็กน้อย (เช่น เมื่อเป็นผู้เขียนที่ปรึกษารองในบทความที่มีผู้เขียนร่วมหลายคน) ในทางกลับกัน มีเอกสารที่โดดเด่นอยู่เสมอที่เราไม่สามารถลืมได้—สำหรับผลกระทบทางวิทยาศาสตร์ ในช่วงเวลาที่น่าจดจำเป็นพิเศษในอาชีพการงาน หรือสำหรับการทดลองที่แปลกใหม่หรือโหดร้าย

ผลงานวิจัยชิ้นสำคัญฉบับแรกของ Millie หลังจากเข้าเป็นสมาชิกถาวรของคณะ MIT ถูกจัดอยู่ในหมวดหมู่ที่โดดเด่น เป็นเรื่องราวที่เธอบรรยายครั้งแล้วครั้งเล่าในความทรงจำในอาชีพการงานของเธอ โดยมองว่าเป็น “เรื่องราวที่น่าสนใจสำหรับประวัติศาสตร์วิทยาศาสตร์”

เรื่องราวเริ่มต้นด้วยความร่วมมือระหว่างมิลลี่และนักฟิสิกส์ชาวอเมริกันเชื้อสายอิหร่าน อาลี จาวาน เกิดในอิหร่านกับพ่อแม่ของอาเซอร์ไบจัน Javan เป็นนักวิทยาศาสตร์ที่มีพรสวรรค์และวิศวกรที่ได้รับรางวัลซึ่งเป็นที่รู้จักกันดีในการประดิษฐ์เลเซอร์แก๊สของเขา เลเซอร์ฮีเลียม-นีออนของเขา ซึ่งประดิษฐ์ขึ้นโดย William Bennett Jr. เมื่อทั้งคู่อยู่ที่ Bell Labs เป็นความก้าวหน้าที่ทำให้เทคโนโลยีที่สำคัญที่สุดในช่วงปลายศตวรรษที่ 20 เป็นไปได้ ตั้งแต่เครื่องเล่นซีดีและดีวีดี ไปจนถึงระบบสแกนบาร์โค้ดไปจนถึงไฟเบอร์ออปติกสมัยใหม่ .

หลังจากตีพิมพ์บทความที่บรรยายงานวิจัยเกี่ยวกับโครงสร้างทางอิเล็กทรอนิกส์ของกราไฟท์ในช่วงแรกของเธอเกี่ยวกับโครงสร้างทางอิเล็กทรอนิกส์ของกราไฟท์แล้ว Millie ก็ต้องการจะเจาะลึกลงไปอีก และ Javan ต้องการความช่วยเหลือ ทั้งสองพบกันระหว่างงานของมิลลี่ที่ลินคอล์นแล็บ เธอเป็นแฟนตัวยง เมื่อเรียกเขาว่า “อัจฉริยะ” และ “นักวิทยาศาสตร์ที่สร้างสรรค์และยอดเยี่ยมมาก”

สำหรับงานใหม่ของเธอ Millie มุ่งที่จะศึกษาระดับพลังงานแม่เหล็กในแถบเวเลนซ์และแถบการนำไฟฟ้าของกราไฟท์ ในการทำเช่นนี้ Javan และนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษา Paul Schroeder ใช้เลเซอร์ก๊าซนีออน ซึ่งจะให้จุดแสงที่คมชัดเพื่อตรวจสอบตัวอย่างกราไฟท์ของพวกเขา เลเซอร์ต้องถูกสร้างขึ้นมาโดยเฉพาะสำหรับการทดลอง และต้องใช้เวลาหลายปีกว่าที่ผลงานของพวกมันจะเติบโตเต็มที่ มิลลี่ย้ายจากลินคอล์นมาที่ MIT ในระหว่างที่ทำงาน

หากการทดลองให้ผลเพียงผลลัพท์ซึ่งสอดคล้องกับทุกสิ่งที่ทีมทราบแล้ว ก็ยังคงเป็นแบบฝึกหัดที่ทำลายเส้นทางเพราะเป็นการทดลองครั้งแรกที่นักวิทยาศาสตร์ใช้เลเซอร์เพื่อศึกษาพฤติกรรมของอิเล็กตรอนใน สนามแม่เหล็ก. แต่ผลลัพธ์ไม่ได้น่าเบื่อเลย สามปีหลังจากที่ Millie และผู้ทำงานร่วมกันเริ่มการทดลอง พวกเขาค้นพบว่าข้อมูลของพวกเขากำลังบอกบางสิ่งที่ดูเหมือนเป็นไปไม่ได้: ระยะห่างระหว่างระดับพลังงานภายในวาเลนซ์และแถบการนำไฟฟ้าของกราไฟท์นั้นผิดไปจากที่คาดไว้โดยสิ้นเชิง ตามที่ Millie ได้อธิบายให้ผู้ชมฟังที่ MIT ฟังอย่างใจจดใจจ่อที่ MIT ในอีกสองทศวรรษต่อมา นั่นหมายความว่า “โครงสร้างของวงดนตรีที่ทุกคนใช้มาจนถึงจุดนั้นอาจไม่ถูกต้องอย่างแน่นอน และต้องถูกพลิกกลับด้าน”

กล่าวอีกนัยหนึ่ง Millie และเพื่อนร่วมงานของเธอกำลังจะล้มล้างกฎทางวิทยาศาสตร์ที่เป็นที่ยอมรับ ซึ่งเป็นหนึ่งในประเภทที่น่าตื่นเต้นและสำคัญของการค้นพบทางวิทยาศาสตร์ที่เราสามารถทำได้ เช่นเดียวกับสิ่งพิมพ์สำคัญในปี 1957 ที่นำโดย Chien-Shiung Wu ซึ่งล้มล้างแนวคิดฟิสิกส์อนุภาคที่ได้รับการยอมรับมาอย่างยาวนานซึ่งเรียกว่าการอนุรักษ์ความเท่าเทียมกัน การยกระดับวิทยาศาสตร์ที่เป็นที่ยอมรับนั้นต้องการความแม่นยำในระดับสูง และความมั่นใจในผลลัพธ์ของตัวเอง มิลลี่และทีมของเธอมีทั้งสองอย่าง

ข้อมูลของพวกเขาชี้ให้เห็นว่าตำแหน่งที่ยอมรับก่อนหน้านี้ของหน่วยงานที่เรียกว่าตัวพาประจุภายในโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ของกราไฟท์นั้นกลับด้าน ตัวพาประจุซึ่งยอมให้พลังงานไหลผ่านวัสดุนำไฟฟ้า เช่น กราไฟต์ เป็นเพียงสิ่งที่ชื่อของมันบอกไว้เท่านั้น นั่นคือบางสิ่งที่สามารถพาประจุไฟฟ้าได้ พวกเขายังมีความสำคัญต่อการทำงานของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ขับเคลื่อนโดยการไหลของพลังงาน

อิเล็กตรอนเป็นตัวนำประจุไฟฟ้าที่รู้จักกันดี บิตย่อยของอะตอมเหล่านี้มีประจุลบขณะเคลื่อนที่ ตัวพาประจุอีกประเภทหนึ่งสามารถเห็นได้เมื่ออิเล็กตรอนเคลื่อนที่จากอะตอมหนึ่งไปยังอีกอะตอมหนึ่งภายในโครงผลึก ทำให้เกิดพื้นที่ว่างซึ่งมีประจุอยู่ด้วย ซึ่งมีขนาดเท่ากันกับอิเล็กตรอน แต่มีประจุอยู่ตรงข้าม ในสิ่งที่ขาดอิเล็กตรอน ตัวพาประจุบวกเหล่านี้เรียกว่ารู

ในแผนภาพแบบง่ายนี้ อิเล็กตรอน (จุดสีดำ) ล้อมรอบนิวเคลียสของอะตอมในโครงผลึก ในบางกรณี อิเล็กตรอนสามารถหลุดออกจากโครงตาข่าย ปล่อยให้มีจุดว่างหรือรูที่มีประจุบวกอยู่ ทั้งอิเล็กตรอนและรูสามารถเคลื่อนที่ได้ ซึ่งส่งผลต่อการนำไฟฟ้าภายในวัสดุ

MIT Press

รูปที่ 6.1 ในแผนภาพแบบง่ายนี้ อิเล็กตรอน (จุดสีดำ) ล้อมรอบนิวเคลียสของอะตอมในโครงผลึก ในบางกรณี อิเล็กตรอนสามารถหลุดออกจากโครงตาข่าย ปล่อยให้มีจุดว่างหรือรูที่มีประจุบวกอยู่ ทั้งอิเล็กตรอนและรูสามารถเคลื่อนที่ได้ ซึ่งส่งผลต่อการนำไฟฟ้าภายในวัสดุ

Millie, Javan และ Schroeder ค้นพบว่านักวิทยาศาสตร์ใช้การกำหนดหลุมและอิเล็กตรอนที่ไม่ถูกต้องภายในโครงสร้างกราไฟท์ที่ยอมรับก่อนหน้านี้ พวกเขาพบอิเล็กตรอนที่หลุมควรเป็นและในทางกลับกัน “นี่มันบ้ามาก” มิลลี่กล่าวในการให้สัมภาษณ์ประวัติศาสตร์ปากเปล่าปี 2544 “เราพบว่าทุกอย่างที่ทำบนโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ของกราไฟท์จนถึงจุดนั้นกลับด้าน”

เช่นเดียวกับการค้นพบอื่นๆ อีกมากมายที่พลิกโฉมภูมิปัญญาดั้งเดิม การยอมรับการเปิดเผยไม่ได้เกิดขึ้นทันที ประการแรก วารสารที่มิลลี่และผู้ร่วมงานของเธอส่งบทความแต่เดิมปฏิเสธที่จะตีพิมพ์ ในการเล่าเรื่องซ้ำ Millie มักตั้งข้อสังเกตว่าหนึ่งในผู้ตัดสิน ซึ่งเป็นเพื่อนและเพื่อนร่วมงานของเธอ Joel McClure เปิดเผยตัวเองเป็นการส่วนตัวในฐานะนักวิจารณ์ด้วยความหวังว่าจะโน้มน้าวให้เธอเชื่อว่าเธอเป็นคนนอกคอกอย่างน่าอาย “เขาพูด” มิลลี่เล่าในการสัมภาษณ์ในปี 2544 ว่า “’มิลลี่ คุณไม่ต้องการเผยแพร่สิ่งนี้ เรารู้ว่าอิเล็กตรอนและรูอยู่ที่ไหน คุณจะพูดได้อย่างไรว่าพวกเขาถอยหลัง?’” แต่เช่นเดียวกับนักวิทยาศาสตร์ที่ดีทุกคน มิลลี่และเพื่อนร่วมงานของเธอได้ตรวจสอบและตรวจสอบผลลัพธ์หลายครั้งและมั่นใจในความถูกต้องแม่นยำ ดังนั้น มิลลี่จึงขอบคุณแมคเคลียร์และบอกเขาว่าพวกเขาเชื่อว่าพวกเขาพูดถูก “เราต้องการเผยแพร่ และเรา… จะเสี่ยงที่จะทำลายอาชีพของเรา” มิลลี่เล่าในปี 1987

การให้เพื่อนร่วมงานได้รับประโยชน์จากข้อสงสัย McClure และผู้ตรวจสอบคนอื่น ๆ ได้อนุมัติการตีพิมพ์บทความนี้แม้จะมีข้อสรุปที่บินไปต่อหน้าโครงสร้างที่เป็นที่ยอมรับของกราไฟท์ จากนั้นเรื่องตลกก็เกิดขึ้น: นักวิจัยคนอื่น ๆ ได้รับการสนับสนุนจากการดูข้อสรุปเหล่านี้ในการพิมพ์ด้วยข้อมูลที่รวบรวมไว้ก่อนหน้านี้ซึ่งสมเหตุสมผลในแง่ของการกำหนดอิเล็กตรอนและรูที่ย้อนกลับ Millie กล่าวในปี 2544 ว่า “มีสิ่งพิมพ์จำนวนมากที่สนับสนุนการค้นพบของเราซึ่งไม่สามารถอธิบายได้ก่อนหน้านี้

ทุกวันนี้ ผู้ที่ศึกษาโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ของกราไฟต์ทำเช่นนั้นด้วยความเข้าใจในการวางตำแหน่งตัวพาประจุที่รวบรวมโดย Millie, Ali Javan และ Paul Schroeder (ซึ่งลงเอยด้วยวิทยานิพนธ์ที่น่าทึ่งมากจากผลลัพธ์ของกลุ่ม) สำหรับ Millie ซึ่งตีพิมพ์ผลงานในปีแรกของเธอที่คณะ MIT การทดลองดังกล่าวทำให้จุดยืนของเธอมั่นคงขึ้นอย่างรวดเร็วในฐานะนักวิจัยของสถาบันที่ยอดเยี่ยม แม้ว่าคุณูปการด้านวิทยาศาสตร์ที่น่าสนใจที่สุดมากมายยังมาไม่ถึง การค้นพบครั้งแรกนี้เป็นสิ่งที่เธอภาคภูมิใจไปตลอดชีวิตที่เหลือของเธอ

ใส่ความเห็น

อีเมลของคุณจะไม่แสดงให้คนอื่นเห็น