L'isolement du graphène il y a plus d'une décennie a transformé le paysage de la physique de la matière condensée, comme un seul atome d'épaisseur, le matériau bidimensionnel présentait une qualité cristalline et électronique élevée pour représenter une nouvelle classe conceptuelle de matériaux quantiques. Les physiciens et les ingénieurs ont depuis exploré une vaste famille de cristaux bidimensionnels connus sous le nom de dichalcogénures de métaux de transition (TMD) dans lesquels les électrons existent dans des couches isolantes, propriétés conductrices ou semi-conductrices, bien que peu d'attention ait été consacrée à l'étude de la supraconductivité dans les cristaux 2-D. Les travaux en cours dans le domaine continuent de fournir un terrain étonnamment fertile pour des applications en physique des basses dimensions.

Découvertes récentes en haute T c les supraconducteurs ont suscité un vif intérêt pour une « onde de densité de paires » (PDW) formée dans des paires de Cooper (une paire d'électrons liés ensemble à basse température), bien qu'il y ait peu de compréhension théorique sur les mécanismes de conduite de cet état exotique. La complexité résulte des nombreux états concurrents qui sont en énergie proche dans la région fortement corrélée au sein de modèles et de phénomènes apparemment simples tels que le modèle Hubbard, aimants frustrés et supraconducteurs à haute température. Dans une étude récente, Jordan Venderley et Eun-Ah Kim à l'Université Cornell, New York, ont montré que la rupture de la symétrie d'inversion et le verrouillage de la vallée de spin qui en résulte pourraient favoriser les PDW pour surmonter les bandes de spin et de charge les plus courantes par frustration contre l'ordre magnétique. L'étude a détaillé les premières preuves solides d'un PDW dans la renormalisation de la matrice de densité d'un modèle fermionique simple via une simulation de groupe. Les résultats ont mis en évidence une possibilité intrigante que l'état exotique se produise dans les dichalcogénures de métaux de transition du groupe VI dopés par trous (TMD) avec une structure de bande verrouillée par vallée de spin et des corrélations modérées. Les résultats sont maintenant publiés dans Avancées scientifiques .

Les supraconducteurs à haute température (en abrégé high-T c ) sont des matériaux qui se comportent comme des supraconducteurs à des températures de transition extrêmement élevées. La première preuve expérimentale de supraconducteurs a été découverte par J.G. Bednorz et K.A. Müller au laboratoire de recherche d'IBM à Zurich en 1986, pour lequel ils ont ensuite reçu le prix Nobel de physique en 1987. Des développements expérimentaux et théoriques récents ont ravivé l'idée d'un état supraconducteur régulé ou modulé qui brise spontanément la symétrie translationnelle. Les premiers efforts de régulation des supraconducteurs ont étroitement maintenu les principes du modèle original de Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnkov (FFLO), proposé en 1964. Une proposition alternative pour un état apparié modulé pour les cuprates (matériaux contenant des complexes anioniques de cuivre) nécessite un mécanisme de couplage fort, connue sous le nom d'onde de densité de paire (PDW), qui se distingue des supraconducteurs de type FFLO.

Le besoin existant d'un mécanisme de couplage fort a conduit les physiciens à rechercher l'état PDW dans des simulations numériques. La preuve actuelle d'un PDW dans le groupe de renormalisation de la matrice de densité (DMRG) n'a été établie que dans le modèle de Kondo-Heisenberg unidimensionnel (1D). La preuve numérique de l'approche contrôlée du DMRG est, cependant, manque de modèles fermioniques simples. Une difficulté particulière à réaliser un tel état est due à la présence d'états fondamentaux de spin et de bande de charge au lieu de l'état PDW sur un modèle Hubbard ou t-J dans un réseau carré avec une symétrie de rotation ouverte. Le modèle t-J, dérivé pour la première fois du modèle Hubbard de Josef Spalek en 1977, ont décrit des systèmes électroniques fortement corrélés pour calculer des états de supraconductivité à haute température dans des antiferromagnétiques dopés (composés de quelques atomes de Fe sur une surface présentant deux états magnétiques).

Bien que de nombreux modèles existent dans différentes branches de la physique, le modèle Hubbard est un dispositif emblématique et simple de la physique théorique de la matière condensée qui capture le comportement des électrons corrélés dans les solides lorsqu'ils sautent entre les sites du réseau. Dans la présente étude, Venderley et Kim se sont donc tournés vers un modèle Hubbard et s'attendaient à ce que l'ordre de spin magnétique frustrant pousse les systèmes dans un état PDW sur un réseau triangulaire frustré avec une symétrie d'inversion brisée. Le modèle a capturé les TMD monocouches du groupe IV dopés par trous, utilisés comme systèmes de référence pour étudier et contrôler les commandes électroniques entrelacées, alimenté par des possibilités exotiques induites par le couplage spin-orbite (SOC) et un manque de centrosymétrie, à côté de la supraconductivité comme observé dans les études précédentes.

Le DMRG (groupe de renormalisation de la matrice de densité) est une méthode non perturbative puissante utilisée pour étudier des systèmes électroniques fortement interactifs et explorer une sélection diversifiée de systèmes fortement corrélés, phénomènes quantiques concurrents. La technique DMRG a été établie au cours de la dernière décennie comme la principale méthode pour simuler la statique et la dynamique des systèmes de réseaux quantiques unidimensionnels, avec un potentiel de développement ultérieur. Pour accéder aux tendances supraconductrices du système, Venderley et Kim ont implémenté un champ de paires motivé par l'approche d'épinglage de champ, qui sous-tendaient plusieurs études antérieures. Ils ont orienté le système vers un état supraconducteur spécifique et étudié la symétrie émergente du paramètre d'ordre approprié dans la masse pour en déduire l'inclinaison du modèle vers diverses instabilités.

Les scientifiques ont effectué les calculs DMRG et les simulations DMRG dans des systèmes bidimensionnels à l'aide de la bibliothèque iTensor développée par Stoudenmire et White. Ils ont présenté les simulations DMRG dans un cylindre avec des cellules à trois unités dans le sens périodique et 12-, 18-, Cellules de 24 et 36 unités dans le sens non périodique. La largeur de la simulation était suffisamment grande pour échantillonner les poches dans la surface de Fermi, mais pas au point de rendre le DMRG prohibitif pour les ressources de calcul du laboratoire.

Pour capturer les surfaces de Fermi verrouillées par vallée de spin dans un modèle à une bande dans les TMD du groupe de valence VI, les scientifiques ont considéré un modèle de liaison étroite du plus proche voisin sur la surface de Fermi, où le flux magnétique a introduit de petites quantités d'anisotropie dans les poches, analogues à ceux observés dans les matériaux semi-conducteurs réels tels que le MoS 2 , suivi de l'inclusion d'interactions sur place. Dans le travail present, la simulation DMRG a révélé de manière inattendue une tendance à briser la symétrie translationnelle dans le régime d'interaction répulsive pour former un état de paire modulée, après quoi les scientifiques ont observé des preuves de la formation et du maintien d'oscillations PDW robustes, malgré les changements (augmentation) du potentiel chimique simulé. Cette observation par Venderley et Kim était le premier rapport d'un PDW fortement couplé dans les simulations DMRG d'un modèle fermionique simple. Les oscillations de phase tracées dans cette étude, ressemblait fortement au comportement de type PDW rapporté dans le modèle 1D Kondo-Heisenberg antérieur.

Venderley et Kim puis Fourier ont transformé ces oscillations pour suggérer que l'élan infini des paires de Cooper provenait de l'interaction entre les poches de Fermi. Ce point de vue a été renforcé lorsqu'ils ont sondé l'effet de l'augmentation du potentiel chimique dans l'étude (qui a diminué le rayon de la poche). Ils ont ensuite capturé les oscillations de la force d'appariement singulet et de la densité de charge de liaison pour montrer que les deux ordres étaient dominés par le même mode de Fourier.

De cette façon, Venderley et Kim ont utilisé le DMRG pour étudier les tendances supraconductrices d'un répulsif U Modèle Hubbard sur treillis triangulaire avec verrouillage par vallée de rotation. Ils ont sondé les tendances à révéler le diagramme de phase supraconducteur complexe du modèle avec des états supraconducteurs à rupture de symétrie translationnelle ; éventuellement en concurrence avec un État uniforme. Alors que les chercheurs s'intéressent à la modulation des états supraconducteurs, l'observation était le premier rapport d'une forte PDW pilotée par couplage formé dans un modèle fermionique simple. Venderley et Kim visent ensuite à déterminer si l'état PDW observé peut être trouvé dans un cadre véritablement 2-D en utilisant une technique numérique différente telle que la théorie de l'inclusion de matrice de densité qui a montré des résultats de haute qualité dans les modèles Hubbard 2-D.

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