Per comprendere il comportamento delle particelle quantistiche, immagina un gioco di flipper, ma piuttosto che una pallina di metallo, ci sono miliardi o più, tutti rimbalzano l'uno contro l'altro e l'ambiente circostante.

I fisici hanno cercato a lungo di studiare questo sistema interattivo di particelle fortemente correlate, che potrebbe aiutare a illuminare fenomeni fisici sfuggenti come la superconduttività ad alta temperatura e il magnetismo.

Un metodo classico consiste nel creare un modello semplificato in grado di catturare l'essenza di queste interazioni tra particelle. Nel 1963, i fisici Martin Gutzwiller, Junjiro Kanamori e John Hubbard, lavorando separatamente, proposero quello che venne chiamato il modello Hubbard, che descrive la fisica essenziale di molte particelle quantistiche interagenti. La soluzione al modello, però, esiste solo in una dimensione. Per decenni, i fisici hanno cercato di realizzare il modello di Hubbard in due o tre dimensioni creando simulatori quantistici in grado di imitarlo.

Una collaborazione guidata da Cornell ha creato con successo un simulatore di questo tipo utilizzando monostrati ultrasottili che si sovrappongono per creare un motivo moiré. Il team ha quindi utilizzato questa piattaforma a stato solido per mappare un enigma di vecchia data in fisica:il diagramma di fase del modello Hubbard a reticolo triangolare.

La loro carta, "Simulazione della fisica del modello Hubbard nei superlattici Moiré WSe2/WS2, " è stato pubblicato il 18 marzo in Natura . L'autore principale è il socio postdottorato Yanhao Tang.

Il progetto è guidato da Kin Fai Mak, professore associato di fisica al College of Arts and Sciences e co-autore senior del documento insieme a Jie Shan, professore di fisica applicata e ingegneristica presso la Facoltà di Ingegneria. Entrambi i ricercatori sono membri del Kavli Institute at Cornell for Nanoscale Science, e sono venuti a Cornell attraverso l'iniziativa Nanoscale Science and Molecular Engineering (NEXT Nano) del rettore. Il loro laboratorio condiviso è specializzato nella fisica dei materiali quantistici atomicamente sottili.

Il loro laboratorio ha collaborato con il coautore Allan MacDonald, professore di fisica all'Università del Texas ad Austin, che nel 2018 ha teorizzato che un simulatore di modello Hubbard sarebbe stato possibile impilando due monostrati atomici di semiconduttori, il tipo di materiali che Mak e Shan studiano da un decennio.

"Quello che abbiamo fatto è prendere due diversi monostrati di questo semiconduttore, disolfuro di tungsteno (WS2) e diseleniuro di tungsteno (WSe2), che hanno una costante reticolare leggermente diversa tra loro. E quando ne metti uno sopra l'altro, crei un modello chiamato superlattice moiré." Ha detto Mak.

Il superreticolo moiré si presenta come una serie di esagoni ad incastro, e in ogni giuntura, o sito, nel modello di tratteggio incrociato, i ricercatori posizionano un elettrone. Questi elettroni sono solitamente intrappolati sul posto dalla barriera energetica tra i siti. Ma gli elettroni hanno abbastanza energia cinetica che, occasionalmente, possono saltare oltre la barriera e interagire con gli elettroni vicini.

"Se non hai questa interazione, tutto è in realtà ben compreso e un po' noioso, " disse Mak. "Ma quando gli elettroni saltano e interagiscono, è molto interessante. È così che puoi ottenere magnetismo e superconduttività."

Poiché gli elettroni hanno una carica negativa e si respingono, queste interazioni che ne conseguono diventano sempre più complicate quando ce ne sono così tante in gioco, da qui la necessità di un sistema semplificato per comprendere il loro comportamento.

"Possiamo controllare l'occupazione dell'elettrone in ogni sito in modo molto preciso, " Ha detto Mak. "Quindi misuriamo il sistema e tracciamo il diagramma di fase. Che tipo di fase magnetica è? In che modo le fasi magnetiche dipendono dalla densità elettronica?"

Finora, i ricercatori hanno utilizzato il simulatore per fare due scoperte significative:osservando uno stato isolante di Mott, e mappatura del diagramma di fase magnetico del sistema. Gli isolanti Mott sono materiali che dovrebbero comportarsi come metalli e condurre elettricità, ma funzionano invece come isolanti, fenomeni che i fisici avevano predetto che il modello di Hubbard avrebbe dimostrato. Anche lo stato fondamentale magnetico degli isolanti Mott è un fenomeno importante che i ricercatori stanno continuando a studiare.

Mentre ci sono altri simulatori quantistici, come quello che utilizza sistemi di atomi freddi e un reticolo artificiale creato da raggi laser, Mak afferma che il simulatore del suo team ha il netto vantaggio di essere un "vero simulatore di molte particelle" che può facilmente controllare o regolare la densità delle particelle. Il sistema può anche raggiungere temperature effettive molto più basse e valutare gli stati fondamentali termodinamici del modello. Allo stesso tempo, il nuovo simulatore non riesce a sintonizzare le interazioni tra gli elettroni quando condividono lo stesso sito.

"Vogliamo inventare nuove tecniche in modo da poter controllare anche la repulsione in loco di due elettroni, " disse Mak. "Se possiamo controllarlo, avremo un modello Hubbard altamente sintonizzabile nel nostro laboratorio. Potremmo quindi ottenere il diagramma di fase completo del modello Hubbard."