Para comprender el comportamiento de las partículas cuánticas, imagine 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 evasivos como la superconductividad y el magnetismo a altas temperaturas.
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 se llamó el modelo Hubbard, quedescribe la física esencial de muchas partículas cuánticas que interactúan. Sin embargo, la solución al modelo solo existe en una dimensión. Durante 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 de muaré. El equipo luego utilizó esta plataforma de estado sólido para mapear un enigma de larga data en física: el diagrama de fase del modelo Hubbard de celosía triangular.
Su artículo, "Simulación de la física del modelo de Hubbard en WSe2 / WS2 Moiré Superlattices", se publicó 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 miembrosdel Instituto Kavli en Cornell para Ciencia a Nanoescala, y llegaron a Cornell a través de la iniciativa de Ciencia e Ingeniería Molecular a Nanoescala NEXT Nano del preboste. 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 al apilar dos monocapas atómicas de semiconductores, el tipo de materiales que Mak y Shan tienenestado 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 red que es ligeramente diferente entre sí. Y cuando pones una encima de laotro, crea un patrón llamado superrejilla de muaré ", dijo Mak.
La super retícula de muaré se parece a una serie de hexágonos entrelazados, y en cada unión, o sitio, en el patrón de trama cruzada, los investigadores colocan un electrón. Estos electrones generalmente quedan atrapados en el lugar por la barrera de energía entre los sitios. Perolos electrones tienen suficiente energía cinética que, ocasionalmente, pueden saltar la barrera e interactuar con los electrones vecinos.
"Si no tienes esta interacción, todo se entiende bien y es algo aburrido", dijo Mak. "Pero cuando los electrones saltan e interactúan, es muy interesante. Así es como puedes 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 tantos 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 mapeamos el diagrama de fase. ¿Qué tipo de fase magnética es? ¿Cómo dependen las fases magnéticas de la¿densidad de electrones?"
Hasta ahora, los investigadores han utilizado el simulador para hacer dos descubrimientos significativos: observar un estado de aislamiento de Mott y mapear el diagrama de fase magnética del sistema. Los aisladores de Mott son materiales que deberían comportarse como metales y conducir electricidad, pero en su lugar funcionan como aislantes:- fenómenos que los físicos predijeron que el modelo de Hubbard demostraría. El estado fundamental magnético de los aisladores Mott también es un fenómeno importante que los investigadores continúan estudiando.
Mientras que 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 sintonizar - densidad de partículas. El sistema también puede alcanzar temperaturas efectivas mucho más bajas y evaluar los estados fundamentales termodinámicos del modelo. Al mismo tiempo, el nuevo simulador no tiene tanto éxito en sintonizar las interacciones entre electrones cuando comparten los mismossitio.
"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 podremosobtener el diagrama de fase completo del modelo Hubbard "
La investigación fue apoyada principalmente por el Departamento de Energía de EE. UU.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Cornell . Original escrito por David Nutt. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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