Para comprender el comportamiento de las partículas cuánticas, imagina un juego de pinball, pero en lugar de una bola de metal, hay miles de millones o más, todos rebotando entre sí y sus alrededores.

Los físicos han intentado durante mucho tiempo estudiar este sistema interactivo de partículas fuertemente correlacionadas, lo que podría ayudar a iluminar fenómenos físicos esquivos como la superconductividad de alta temperatura y el magnetismo.

Un método clásico es crear un modelo simplificado que pueda capturar la esencia de estas interacciones de partículas. En 1963, los físicos Martin Gutzwiller, Junjiro Kanamori y John Hubbard, trabajando por separado, propusieron lo que llegó a llamarse el modelo Hubbard, que describe la física esencial de muchas partículas cuánticas que interactúan. La solución al modelo, sin embargo, solo existe en una dimensión. Por décadas, Los físicos han intentado realizar el modelo de Hubbard en dos o tres dimensiones creando simuladores cuánticos que pueden imitarlo.

Una colaboración dirigida por Cornell ha creado con éxito un simulador de este tipo utilizando monocapas ultrafinas que se superponen para crear un patrón muaré. Luego, el equipo usó esta plataforma de estado sólido para mapear un enigma de larga data en física:el diagrama de fase del modelo de celosía triangular de Hubbard.

Su papel "Simulación de la física del modelo Hubbard en superredes WSe2 / WS2 Moiré, "fue publicado el 18 de marzo en Naturaleza . El autor principal es el asociado postdoctoral Yanhao Tang.

El proyecto está dirigido por Kin Fai Mak, profesor asociado de física en la Facultad de Artes y Ciencias y coautor principal del artículo junto con Jie Shan, profesor de física aplicada e ingeniería en la Facultad de Ingeniería. Ambos investigadores son miembros del Instituto Kavli de Cornell para la ciencia a nanoescala, y llegaron a Cornell a través de la iniciativa de ciencia a nanoescala e ingeniería molecular (NEXT Nano) del rector. Su laboratorio compartido se especializa en la física de materiales cuánticos atómicamente delgados.

Su laboratorio se asoció con el coautor Allan MacDonald, profesor de física en la Universidad de Texas en Austin, quien en 2018 teorizó que un simulador de modelo Hubbard sería posible apilando dos monocapas atómicas de semiconductores, el tipo de materiales que Mak y Shan han estado estudiando durante una década.

"Lo que hemos hecho es tomar dos monocapas diferentes de este semiconductor, disulfuro de tungsteno (WS2) y diselenuro de tungsteno (WSe2), que tienen una constante de celosía que es ligeramente diferente entre sí. Y cuando pones uno encima del otro, se crea un patrón llamado superrejilla muaré ", dijo Mak.

La superrejilla de muaré parece una serie de hexágonos entrelazados, y en cada coyuntura (o sitio) en el patrón de rayado, los investigadores colocan un electrón. Estos electrones generalmente quedan atrapados en su lugar por la barrera de energía entre los sitios. Pero los electrones tienen suficiente energía cinética que, de vez en cuando, pueden saltar la barrera e interactuar con los electrones vecinos.

"Si no tiene esta interacción, todo está bien entendido y es algo aburrido, ", dijo Mak." Pero cuando los electrones saltan e interactúan, Eso es muy interesante. Así es como se puede obtener magnetismo y superconductividad ".

Debido a que los electrones tienen una carga negativa y se repelen entre sí, estas interacciones resultantes se vuelven cada vez más complicadas cuando hay tantas en juego, de ahí la necesidad de un sistema simplificado para comprender su comportamiento.

"Podemos controlar la ocupación del electrón en cada sitio con mucha precisión, "Dijo Mak." Luego medimos el sistema y trazamos el diagrama de fase. ¿Qué tipo de fase magnética es? ¿Cómo dependen las fases magnéticas de la densidad de electrones? "

Hasta aquí, los investigadores han utilizado el simulador para hacer dos descubrimientos importantes:observar un estado de aislamiento de Mott, y mapeo del diagrama de fase magnética del sistema. Los aisladores Mott son materiales que deben comportarse como metales y conducir la electricidad. sino que funcionan como aislantes, fenómenos que los físicos predijeron que demostraría el modelo de Hubbard. El estado de base magnético de los aisladores Mott también es un fenómeno importante que los investigadores continúan estudiando.

Si bien hay otros simuladores cuánticos, como uno que utiliza sistemas de átomos fríos y una red artificial creada por rayos láser, Mak dice que el simulador de su equipo tiene la clara ventaja de ser un "verdadero simulador de muchas partículas" que puede controlar fácilmente, o ajustar, la densidad de las partículas. El sistema también puede alcanzar temperaturas efectivas mucho más bajas y evaluar los estados básicos termodinámicos del modelo. Al mismo tiempo, el nuevo simulador no tiene tanto éxito en sintonizar las interacciones entre electrones cuando comparten el mismo sitio.

"Queremos inventar nuevas técnicas para que también podamos controlar la repulsión in situ de dos electrones, "Dijo Mak." Si podemos controlar eso, tendremos un modelo Hubbard altamente ajustable en nuestro laboratorio. Entonces podemos obtener el diagrama de fases completo del modelo de Hubbard ".