Om het gedrag van kwantumdeeltjes te begrijpen, stel je een flipperkast voor, maar in plaats van één metalen bal, er zijn miljarden of meer, allemaal afketsen op elkaar en hun omgeving.

Natuurkundigen hebben lang geprobeerd dit interactieve systeem van sterk gecorreleerde deeltjes te bestuderen, die kunnen helpen ongrijpbare natuurkundige fenomenen zoals supergeleiding bij hoge temperaturen en magnetisme te verlichten.

Een klassieke methode is om een ​​vereenvoudigd model te maken dat de essentie van deze deeltjesinteracties kan vastleggen. In 1963, natuurkundigen Martin Gutzwiller, Junjiro Kanamori en John Hubbard, die afzonderlijk werkten, stelden voor wat het Hubbard-model werd genoemd, die de essentiële fysica van veel op elkaar inwerkende kwantumdeeltjes beschrijft. De oplossing voor het model, echter, bestaat slechts in één dimensie. Al decenia, natuurkundigen hebben geprobeerd het Hubbard-model in twee of drie dimensies te realiseren door kwantumsimulators te maken die het kunnen nabootsen.

Een door Cornell geleide samenwerking heeft met succes een dergelijke simulator gemaakt met behulp van ultradunne monolagen die elkaar overlappen om een ​​moiré-patroon te maken. Het team gebruikte dit halfgeleiderplatform vervolgens om een ​​al lang bestaand raadsel in de natuurkunde in kaart te brengen:het fasediagram van het Hubbard-model met driehoekig rooster.

hun papier, "Simulatie van Hubbard-modelfysica in WSe2/WS2 Moiré-superroosters, " werd op 18 maart gepubliceerd in Natuur . De hoofdauteur is postdoctoraal medewerker Yanhao Tang.

Het project wordt geleid door Kin Fai Mak, universitair hoofddocent natuurkunde aan het College of Arts and Sciences en co-senior auteur van de paper samen met Jie Shan, hoogleraar toegepaste en technische fysica aan het College of Engineering. Beide onderzoekers zijn lid van het Kavli Institute in Cornell for Nanoscale Science, en ze kwamen naar Cornell via het initiatief Nanoscale Science and Molecular Engineering (NEXT Nano) van de provoost. Hun gedeelde lab is gespecialiseerd in de fysica van atomair dunne kwantummaterialen.

Hun lab werkte samen met co-auteur Allan MacDonald, een natuurkundeprofessor aan de Universiteit van Texas in Austin, die in 2018 theoretiseerde dat een Hubbard-modelsimulator mogelijk zou zijn door twee atomaire monolagen van halfgeleiders te stapelen, het soort materiaal dat Mak en Shan al tien jaar bestuderen.

"Wat we hebben gedaan is twee verschillende monolagen van deze halfgeleider nemen, wolfraamdisulfide (WS2) en wolfraamdiselenide (WSe2), die een roosterconstante hebben die enigszins van elkaar verschilt. En als je de een op de ander legt, je creëert een patroon dat een moiré-superrooster wordt genoemd." zei Mak.

Het moiré-superrooster ziet eruit als een reeks in elkaar grijpende zeshoeken, en in elk kruispunt - of plaats - in het gearceerde patroon, de onderzoekers plaatsen een elektron. Deze elektronen worden meestal op hun plaats gevangen door de energiebarrière tussen de plaatsen. Maar de elektronen hebben genoeg kinetische energie die, zo nu en dan, ze kunnen over de barrière springen en interageren met naburige elektronen.

"Als je deze interactie niet hebt, alles is eigenlijk goed begrepen en een beetje saai, " zei Mak. "Maar als de elektronen rondspringen en op elkaar inwerken, dat is erg interessant. Zo kun je magnetisme en supergeleiding krijgen."

Omdat elektronen een negatieve lading hebben en elkaar afstoten, deze daaruit voortvloeiende interacties worden steeds gecompliceerder als er zoveel van hen in het spel zijn - vandaar de behoefte aan een vereenvoudigd systeem om hun gedrag te begrijpen.

"We kunnen de bezetting van het elektron op elke plaats heel precies controleren, "Zei Mak. "Vervolgens meten we het systeem en brengen we het fasediagram in kaart. Wat voor soort magnetische fase is het? Hoe hangen de magnetische fasen af ​​van de elektronendichtheid?"

Tot dusver, de onderzoekers hebben de simulator gebruikt om twee belangrijke ontdekkingen te doen:het observeren van een Mott-isolatietoestand, en het in kaart brengen van het magnetische fasediagram van het systeem. Mott-isolatoren zijn materialen die zich als metalen moeten gedragen en elektriciteit moeten geleiden, maar functioneren in plaats daarvan als isolatoren - fenomenen waarvan natuurkundigen voorspelden dat het Hubbard-model zou aantonen. De magnetische grondtoestand van Mott-isolatoren is ook een belangrijk fenomeen dat de onderzoekers blijven bestuderen.

Hoewel er andere kwantumsimulators zijn, zoals een systeem dat koude atoomsystemen gebruikt en een kunstmatig rooster gecreëerd door laserstralen, Mak zegt dat de simulator van zijn team het duidelijke voordeel heeft dat het een "echte veeldeeltjessimulator" is die de deeltjesdichtheid gemakkelijk kan regelen of afstemmen. Het systeem kan ook veel lagere effectieve temperaturen bereiken en de thermodynamische grondtoestanden van het model beoordelen. Tegelijkertijd, de nieuwe simulator is niet zo succesvol in het afstemmen van de interacties tussen elektronen wanneer ze dezelfde site delen.

“We willen nieuwe technieken uitvinden, zodat we ook de on-site afstoting van twee elektronen kunnen sturen, "Zei Mak. "Als we dat kunnen beheersen, we zullen een zeer afstembaar Hubbard-model in ons lab hebben. We kunnen dan het volledige fasediagram van het Hubbard-model verkrijgen."