Modelsimulator hjælper forskere med at kortlægge komplekse fysikfænomener

For at forstå kvantepartiklers adfærd, forestil dig et flipperspil - men snarere end en metalbold, der er milliarder eller mere, alle ricocheting af hinanden og deres omgivelser.

Fysikere har længe forsøgt at studere dette interaktive system af stærkt korrelerede partikler, som kunne hjælpe med at belyse undvigende fysikfænomener som høj temperatur superledning og magnetisme.

En klassisk metode er at skabe en forenklet model, der kan fange essensen af ​​disse partikelinteraktioner. I 1963, fysikere Martin Gutzwiller, Junjiro Kanamori og John Hubbard - arbejdede hver for sig - foreslog det, der blev kaldt Hubbard -modellen, som beskriver den væsentlige fysik i mange interagerende kvantepartikler. Løsningen på modellen, imidlertid, findes kun i én dimension. I årtier, fysikere har forsøgt at realisere Hubbard -modellen i to eller tre dimensioner ved at oprette kvantesimulatorer, der kan efterligne den.

Et Cornell-ledet samarbejde har med succes skabt en sådan simulator ved hjælp af ultratynde monolag, der overlapper hinanden for at lave et moiré-mønster. Holdet brugte derefter denne solid-state platform til at kortlægge et mangeårigt problem i fysik:fasediagrammet over den trekantede gitter Hubbard-model.

Deres papir, "Simulering af Hubbard Model Physics i WSe2/WS2 Moiré Superlattices, "blev udgivet 18. marts i Natur . Hovedforfatteren er postdoktor medarbejder Yanhao Tang.

Projektet ledes af Kin Fai Mak, lektor i fysik ved College of Arts and Sciences og avisens med seniorforfatter sammen med Jie Shan, professor i anvendt og ingeniørfysik ved College of Engineering. Begge forskere er medlemmer af Kavli Institute ved Cornell for Nanoscale Science, og de kom til Cornell gennem provostens initiativ Nanoscale Science and Molecular Engineering (NEXT Nano). Deres fælles laboratorium har specialiseret sig i fysikken i atomtynde kvantematerialer.

Deres laboratorium samarbejdede med medforfatter Allan MacDonald, en fysikprofessor ved University of Texas i Austin, der i 2018 teoretiserede en Hubbard -modelsimulator ville være mulig ved at stable to atomiske monolag af halvledere, den slags materialer Mak og Shan har studeret i et årti.

"Det, vi har gjort, er at tage to forskellige monolag af denne halvleder, wolframdisulfid (WS2) og wolframdiselenid (WSe2), som har en gitterkonstant, der er lidt forskellig fra hinanden. Og når du lægger den ene oven på den anden, du opretter et mønster kaldet en moiré superlattice. "sagde Mak.

Moiré -supergitteret ligner en række sammenkoblede sekskanter, og i hvert kryds - eller sted - i krydsrækningsmønsteret, forskerne placerer en elektron. Disse elektroner er normalt fanget på plads af energibarrieren mellem stederne. Men elektronerne har nok kinetisk energi til, at lejlighedsvis, de kan hoppe over barrieren og interagere med tilgrænsende elektroner.

"Hvis du ikke har denne interaktion, alt er faktisk godt forstået og lidt kedeligt, "sagde Mak." Men når elektronerne hopper rundt og interagerer, det er meget interessant. Sådan kan du få magnetisme og superledning. "

Fordi elektroner har en negativ ladning og afviser hinanden, disse efterfølgende interaktioner bliver stadig mere komplicerede, når der er så mange af dem i spil - derfor behovet for et forenklet system for at forstå deres adfærd.

"Vi kan kontrollere elektronens besættelse på hvert sted meget præcist, "Sagde Mak." Vi måler derefter systemet og kortlægger fasediagrammet. Hvilken magnetisk fase er det? Hvordan afhænger de magnetiske faser af elektrontætheden? "

Indtil nu, forskerne har brugt simulatoren til at foretage to væsentlige opdagelser:observere en Mott -isoleringstilstand, og kortlægning af systemets magnetiske fasediagram. Mott -isolatorer er materialer, der skal opføre sig som metaller og lede elektricitet, men fungerer i stedet som isolatorer - fænomener, som fysikere forudsagde, at Hubbard -modellen ville demonstrere. Den magnetiske jordtilstand for Mott -isolatorer er også et vigtigt fænomen, forskerne fortsætter med at studere.

Mens der er andre kvantesimulatorer, såsom en der bruger kolde atomsystemer og et kunstigt gitter skabt af laserstråler, Mak siger, at hans teams simulator har den klare fordel at være en "ægte mangepartikelsimulator", der let kan styre-eller indstille-partikeltæthed. Systemet kan også nå meget lavere effektive temperaturer og vurdere modellens termodynamiske jordtilstande. På samme tid, den nye simulator har ikke lige så stor succes med at indstille interaktionerne mellem elektroner, når de deler det samme sted.

"Vi ønsker at opfinde nye teknikker, så vi også kan kontrollere frastødning af to elektroner på stedet, "Sagde Mak." Hvis vi kan kontrollere det, vi vil have en meget afstemt Hubbard -model i vores laboratorium. Vi kan derefter få det komplette fasediagram over Hubbard -modellen. "