L'isolamento del grafene più di dieci anni fa ha trasformato il panorama della fisica della materia condensata, come il singolo atomo di spessore, il materiale bidimensionale ha mostrato un'elevata qualità cristallina ed elettronica per rappresentare una classe concettualmente nuova di materiali quantistici. Fisici e ingegneri da allora hanno esplorato una vasta famiglia di cristalli bidimensionali noti come dicalcogenuri di metalli di transizione (TMD) in cui gli elettroni esistono in strati con elementi isolanti, proprietà conduttrici o semiconduttive, sebbene poca attenzione sia stata rivolta allo studio della superconduttività nei cristalli 2-D. Il lavoro in corso nel campo continua a fornire un terreno sorprendentemente fertile per applicazioni nella fisica delle basse dimensioni.

Recenti scoperte in alta T _C i superconduttori hanno suscitato un intenso interesse per una "onda di densità di coppia" (PDW) formata in coppie di Cooper (una coppia di elettroni legati insieme a basse temperature), anche se c'è poca comprensione teorica sui meccanismi di guida di questo stato esotico. La complessità deriva dai molti stati in competizione che sono in stretta energia nella regione fortemente correlata all'interno di modelli e fenomeni apparentemente semplici come il modello di Hubbard, magneti frustrati e superconduttori ad alta temperatura. In un recente studio, Jordan Venderley e Eun-Ah Kim alla Cornell University, New York, ha mostrato che la rottura della simmetria di inversione e il conseguente bloccaggio della valle di spin potrebbero promuovere le PDW per superare le strisce di spin e di carica più comuni attraverso la frustrazione contro l'ordine magnetico. Lo studio ha dettagliato la prima prova solida per un PDW nella rinormalizzazione della matrice di densità di un semplice modello fermionico tramite simulazione di gruppo. I risultati hanno indicato un'intrigante possibilità dello stato esotico che si verifica nei dichalcogenuri di metalli di transizione del gruppo VI drogati con lacune (TMD) con struttura a bande bloccate spin-valle e correlazioni moderate. I risultati sono ora pubblicati in Progressi scientifici .

Superconduttori ad alta temperatura (abbreviato high-T _C ) sono materiali che si comportano come superconduttori a temperature di transizione estremamente elevate. La prima prova sperimentale dei superconduttori fu scoperta da J.G. Bednorz e K.A. Müller presso lo Zurich Research Lab di IBM nel 1986, per il quale sono stati successivamente insigniti del Premio Nobel per la Fisica nel 1987. Recenti sviluppi sperimentali e teorici hanno fatto rivivere l'idea di uno stato superconduttore regolato o modulato che rompe spontaneamente la simmetria traslazionale. I primi sforzi sulla regolazione dei superconduttori hanno mantenuto da vicino i principi del modello originale Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnkov (FFLO), proposta nel 1964. Una proposta alternativa per uno stato accoppiato modulato per cuprati (materiali contenenti complessi anionici di rame) richiede un forte meccanismo di accoppiamento, nota come onda di densità di coppia (PDW), che è distinto dai superconduttori di tipo FFLO.

La necessità esistente di un forte meccanismo di accoppiamento ha portato i fisici a cercare lo stato PDW nelle simulazioni numeriche. L'attuale evidenza di un PDW nel gruppo di rinormalizzazione della matrice di densità (DMRG) è stata stabilita solo nel modello Kondo-Heisenberg unidimensionale (1D). L'evidenza numerica dell'approccio controllato del DMRG è, però, mancano di semplici modelli fermionici. Una caratteristica difficoltà nel realizzare un tale stato è dovuta alla presenza di stati fondamentali di spin e stripe di carica invece dello stato PDW su un modello Hubbard o t-J in un reticolo quadrato con simmetria a rotazione aperta. Il modello tJ, derivato per la prima volta dal modello Hubbard di Josef Spalek nel 1977, descritto sistemi di elettroni fortemente correlati per calcolare stati di superconduttività ad alta temperatura in antiferromagneti drogati (composti da pochi atomi di Fe su una superficie che mostra due stati magnetici).

Sebbene esistano molti modelli in diversi rami della fisica, il modello di Hubbard è un espediente iconico e semplice della fisica teorica della materia condensata che cattura il comportamento degli elettroni correlati nei solidi mentre saltano tra i siti del reticolo. In questo studio, Venderley e Kim si sono quindi rivolti a un modello Hubbard e si aspettavano che il frustrante ordine di spin magnetico spingesse i sistemi in uno stato PDW su un reticolo triangolare frustrato con simmetria di inversione rotta. Il modello ha catturato i TMD del gruppo IV monostrato drogati con lacune, utilizzati come sistemi di riferimento per lo studio e il controllo degli ordini elettronici intrecciati, alimentato da possibilità esotiche guidate dall'accoppiamento spin-orbita (SOC) e dalla mancanza di centrosimmetria, insieme alla superconduttività come osservato negli studi precedenti.

Il DMRG (gruppo di rinormalizzazione della matrice di densità) è un potente metodo non perturbativo utilizzato per studiare sistemi elettronici fortemente interagenti ed esplorare una selezione diversificata di sistemi elettronici fortemente correlati, fenomeni quantistici concorrenti. La tecnica DMRG è stata stabilita negli ultimi dieci anni come il metodo principale per simulare la statica e la dinamica dei sistemi reticolari quantistici unidimensionali, con possibilità di ulteriore sviluppo. Per accedere alle tendenze superconduttive del sistema, Venderley e Kim hanno implementato un campo pair-edge motivato dall'approccio di pinning sul campo, che sono alla base di diversi studi precedenti. Hanno polarizzato il sistema su uno specifico stato superconduttore e hanno studiato la simmetria emergente del parametro d'ordine appropriato nella massa per dedurre l'inclinazione del modello verso varie instabilità.

Gli scienziati hanno condotto i calcoli DMRG e le simulazioni DMRG in sistemi bidimensionali utilizzando la libreria iTensor sviluppata da Stoudenmire e White. Hanno presentato le simulazioni DMRG in un cilindro con celle a tre unità nella direzione periodica e 12-, 18-, Celle di 24 e 36 unità nella direzione non periodica. La larghezza della simulazione era sufficientemente grande per campionare le tasche nella superficie di Fermi ma non così grande da rendere il DMRG proibitivo per le risorse computazionali in laboratorio.

Per catturare le superfici di Fermi bloccate spin-valle in un modello a una banda nei TMD del gruppo di valenza VI, gli scienziati hanno considerato un modello a legame stretto più vicino sulla superficie di Fermi, dove il flusso magnetico ha introdotto piccole quantità di anisotropia nelle tasche, analoghi a quelli osservati in materiali semiconduttori reali come MoS ₂ , seguita dall'inclusione di interazioni in loco. Nel presente lavoro, la simulazione DMRG ha rivelato inaspettatamente una tendenza a rompere la simmetria traslazionale nel regime di interazione repulsiva per formare uno stato di coppia modulata, dopo di che gli scienziati hanno osservato prove della formazione e del mantenimento di robuste oscillazioni PDW, nonostante i cambiamenti (aumento) del potenziale chimico simulato. Questa osservazione di Venderley e Kim è stata la prima segnalazione di un forte PDW guidato dall'accoppiamento all'interno delle simulazioni DMRG di un semplice modello fermionico. Le oscillazioni di fase riportate in questo studio, assomigliava molto al comportamento di tipo PDW riportato nel precedente modello 1D Kondo-Heisenberg.

Venderley e Kim poi Fourier hanno trasformato queste oscillazioni per suggerire che lo slancio infinito delle coppie Cooper abbia avuto origine dall'interazione tra le tasche di Fermi. Questa visione è stata rafforzata quando hanno sondato l'effetto dell'aumento del potenziale chimico nello studio (che ha diminuito il raggio della tasca). Hanno quindi catturato le oscillazioni nella forza di accoppiamento di singoletto e nella densità di carica del legame per mostrare che entrambi gli ordini erano dominati dallo stesso modo di Fourier.

In questo modo, Venderley e Kim hanno usato DMRG per studiare le tendenze superconduttive di un repulsivo tu Modello Hubbard su un reticolo triangolare con bloccaggio spin-valle. Hanno sondato le tendenze a rivelare il complesso diagramma di fase superconduttore del modello con stati superconduttori traslazionali che rompono la simmetria; possibilmente in concorrenza con uno stato uniforme. Mentre i ricercatori sono interessati a modulare gli stati superconduttori, quello osservato è stato il primo rapporto di un forte PDW guidato dall'accoppiamento formato in un semplice modello fermionico. Venderley e Kim mirano poi a indagare se lo stato PDW osservato può essere trovato in un ambiente veramente 2-D utilizzando una tecnica numerica diversa come la teoria dell'incorporamento della matrice di densità che ha mostrato risultati di alta qualità nei modelli 2-D di Hubbard.

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