För att förstå beteendet hos kvantpartiklar, föreställ dig ett flipperspel – men snarare än en metallkula, det finns miljarder eller mer, alla ricocheting av varandra och deras omgivning.

Fysiker har länge försökt studera detta interaktiva system av starkt korrelerade partiklar, som kan hjälpa till att belysa svårfångade fysikfenomen som högtemperatursupraledning och magnetism.

En klassisk metod är att skapa en förenklad modell som kan fånga essensen av dessa partikelinteraktioner. 1963, fysiker Martin Gutzwiller, Junjiro Kanamori och John Hubbard – som arbetade separat – föreslog vad som kom att kallas Hubbard-modellen, som beskriver den väsentliga fysiken hos många interagerande kvantpartiklar. Lösningen på modellen, dock, finns bara i en dimension. I årtionden, fysiker har försökt att realisera Hubbard-modellen i två eller tre dimensioner genom att skapa kvantsimulatorer som kan efterlikna den.

Ett samarbete som leds av Cornell har framgångsrikt skapat en sådan simulator med hjälp av ultratunna monolager som överlappar varandra för att skapa ett moirémönster. Teamet använde sedan denna solid-state-plattform för att kartlägga en långvarig gåta inom fysiken:fasdiagrammet för den triangulära gittermodellen Hubbard.

Deras papper, "Simulering av Hubbard Model Physics i WSe2/WS2 Moiré Superlattices, " publicerades 18 mars i Natur . Huvudförfattare är postdoktor Yanhao Tang.

Projektet leds av Kin Fai Mak, docent i fysik vid College of Arts and Sciences och tidningens medförfattare tillsammans med Jie Shan, professor i tillämpad och teknisk fysik vid Ingenjörshögskolan. Båda forskarna är medlemmar av Kavli-institutet vid Cornell for Nanoscale Science, och de kom till Cornell genom provostens Nanoscale Science and Molecular Engineering (NEXT Nano) initiativ. Deras gemensamma labb är specialiserat på fysik av atomärt tunna kvantmaterial.

Deras labb samarbetade med medförfattaren Allan MacDonald, en fysikprofessor vid University of Texas i Austin, som 2018 teoretiserade att en Hubbard-modellsimulator skulle vara möjlig genom att stapla två atomära monolager av halvledare, den typ av material Mak och Shan har studerat i ett decennium.

"Vad vi har gjort är att ta två olika monolager av denna halvledare, volframdisulfid (WS2) och volframdiselenid (WSe2), som har en gitterkonstant som skiljer sig något från varandra. Och när du lägger den ena ovanpå den andra, du skapar ett mönster som kallas ett moiré-supergitter." sa Mak.

Moiré -supergitteret ser ut som en serie sammanlänkade hexagoner, och i varje tillfälle – eller plats – i kryssstreckmönstret, forskarna placerar en elektron. Dessa elektroner är vanligtvis instängda på plats av energibarriären mellan platserna. Men elektronerna har tillräckligt med kinetisk energi för att ibland, de kan hoppa över barriären och interagera med närliggande elektroner.

"Om du inte har den här interaktionen, allt är faktiskt väl förstått och lite tråkigt, " sa Mak. "Men när elektronerna hoppar runt och interagerar, det är väldigt intressant. Det är så du kan få magnetism och supraledning."

Eftersom elektroner har en negativ laddning och stöter bort varandra, dessa efterföljande interaktioner blir allt mer komplicerade när det finns så många av dem i spel – därav behovet av ett förenklat system för att förstå deras beteende.

"Vi kan kontrollera ockupationen av elektronen på varje plats mycket exakt, "Sa Mak." Vi mäter sedan systemet och kartlägger fasdiagrammet. Vilken typ av magnetisk fas är det? Hur beror de magnetiska faserna på elektrontätheten?"

Än så länge, forskarna har använt simulatorn för att göra två betydande upptäckter:observera ett Mott-isolerande tillstånd, och kartläggning av systemets magnetiska fasdiagram. Mott isolatorer är material som ska bete sig som metaller och leda elektricitet, utan fungerar istället som isolatorer – fenomen som fysiker förutspådde att Hubbard-modellen skulle visa. Mott-isolatorernas magnetiska grundtillstånd är också ett viktigt fenomen som forskarna fortsätter att studera.

Medan det finns andra kvantsimulatorer, till exempel en som använder kalla atomsystem och ett konstgjort gitter skapat av laserstrålar, Mak säger att hans teams simulator har den distinkta fördelen att vara en "äkta många-partikelsimulator" som enkelt kan kontrollera - eller ställa in - partikeldensiteten. Systemet kan också nå mycket lägre effektiva temperaturer och bedöma modellens termodynamiska marktillstånd. På samma gång, den nya simulatorn är inte lika framgångsrik när det gäller att ställa in interaktionerna mellan elektroner när de delar samma plats.

"Vi vill uppfinna nya tekniker så att vi också kan kontrollera avstötningen på plats av två elektroner, " sa Mak. "Om vi ​​kan kontrollera det, vi kommer att ha en mycket inställbar Hubbard-modell i vårt labb. Vi kan då få det fullständiga fasdiagrammet för Hubbard-modellen."