Para entender o comportamento das partículas quânticas, imagine um jogo de pinball, mas em vez de uma bola de metal, existem bilhões ou mais, todos ricocheteando uns nos outros e em seus arredores.

Os físicos há muito tentam estudar este sistema interativo de partículas fortemente correlacionadas, que poderia ajudar a iluminar fenômenos da física indescritíveis, como a supercondutividade de alta temperatura e o magnetismo.

Um método clássico é criar um modelo simplificado que possa capturar a essência dessas interações de partículas. Em 1963, físicos Martin Gutzwiller, Junjiro Kanamori e John Hubbard - trabalhando separadamente - propuseram o que veio a ser chamado de modelo de Hubbard, que descreve a física essencial de muitas partículas quânticas em interação. A solução para o modelo, Contudo, só existe em uma dimensão. Por décadas, os físicos tentaram realizar o modelo de Hubbard em duas ou três dimensões criando simuladores quânticos que podem imitá-lo.

Uma colaboração liderada por Cornell criou com sucesso esse simulador usando monocamadas ultrafinas que se sobrepõem para formar um padrão moiré. A equipe então usou esta plataforma de estado sólido para mapear um antigo enigma na física:o diagrama de fase do modelo de rede triangular de Hubbard.

Seu papel, "Simulação de Hubbard Model Physics in WSe2 / WS2 Moiré Superlattices, "foi publicado em 18 de março em Natureza . O autor principal é o associado de pós-doutorado Yanhao Tang.

O projeto é liderado por Kin Fai Mak, professor associado de física na Faculdade de Artes e Ciências e co-autor sênior do artigo, juntamente com Jie Shan, professor de física aplicada e de engenharia na Faculdade de Engenharia. Ambos os pesquisadores são membros do Instituto Kavli em Cornell for Nanoscale Science, e eles vieram para Cornell por meio da iniciativa do reitor em Nanoscale Science and Molecular Engineering (NEXT Nano). Seu laboratório compartilhado é especializado em física de materiais quânticos atomicamente finos.

Seu laboratório fez parceria com o co-autor Allan MacDonald, um professor de física da Universidade do Texas em Austin, que em 2018 teorizou um simulador de modelo Hubbard seria possível empilhando duas monocamadas atômicas de semicondutores, o tipo de material que Mak e Shan vêm estudando há uma década.

"O que fizemos foi pegar duas monocamadas diferentes desse semicondutor, dissulfeto de tungstênio (WS2) e disseleneto de tungstênio (WSe2), que têm uma constante de rede ligeiramente diferente uma da outra. E quando você coloca um em cima do outro, você cria um padrão chamado superrede moiré ", disse Mak.

A superrede moiré parece uma série de hexágonos interligados, e em cada junção - ou local - no padrão hachurado, os pesquisadores colocam um elétron. Esses elétrons geralmente ficam presos no lugar pela barreira de energia entre os locais. Mas os elétrons têm energia cinética suficiente para, ocasionalmente, eles podem pular a barreira e interagir com os elétrons vizinhos.

"Se você não tem essa interação, tudo é realmente bem compreendido e meio chato, "disse Mak." Mas quando os elétrons saltam e interagem, isso é muito interessante. É assim que você pode obter magnetismo e supercondutividade. "

Como os elétrons têm carga negativa e se repelem, essas interações subsequentes tornam-se cada vez mais complicadas quando há tantos deles em jogo - daí a necessidade de um sistema simplificado para entender seu comportamento.

“Podemos controlar a ocupação do elétron em cada local com muita precisão, "Mak disse." Nós então medimos o sistema e mapeamos o diagrama de fases. Que tipo de fase magnética é? Como as fases magnéticas dependem da densidade do elétron? "

Até aqui, os pesquisadores usaram o simulador para fazer duas descobertas significativas:observar um estado de isolamento de Mott, e mapear o diagrama de fase magnética do sistema. Os isoladores Mott são materiais que devem se comportar como metais e conduzir eletricidade, mas, em vez disso, funcionam como isolantes - fenômenos que os físicos previram que o modelo de Hubbard demonstraria. O estado de aterramento magnético dos isoladores de Mott também é um fenômeno importante que os pesquisadores continuam a estudar.

Embora existam outros simuladores quânticos, como aquele que usa sistemas de átomos frios e uma rede artificial criada por feixes de laser, Mak diz que o simulador de sua equipe tem a vantagem distinta de ser um "verdadeiro simulador de muitas partículas" que pode controlar facilmente - ou ajustar - a densidade das partículas. O sistema também pode atingir temperaturas efetivas muito mais baixas e avaliar os estados termodinâmicos do solo do modelo. Ao mesmo tempo, o novo simulador não tem tanto sucesso em ajustar as interações entre os elétrons quando eles compartilham o mesmo local.

"Queremos inventar novas técnicas para que também possamos controlar a repulsão local de dois elétrons, "Disse Mak." Se pudermos controlar isso, teremos um modelo Hubbard altamente ajustável em nosso laboratório. Podemos então obter o diagrama de fase completo do modelo de Hubbard. "