Pour comprendre le comportement des particules quantiques, imaginez un jeu de flipper, mais plutôt qu'une boule de métal, il y a des milliards ou plus, tous ricochant les uns sur les autres et sur leur environnement.

Les physiciens ont longtemps essayé d'étudier ce système interactif de particules fortement corrélées, ce qui pourrait aider à éclairer des phénomènes physiques insaisissables comme la supraconductivité à haute température et le magnétisme.

Une méthode classique consiste à créer un modèle simplifié qui peut capturer l'essence de ces interactions de particules. En 1963, les physiciens Martin Gutzwiller, Junjiro Kanamori et John Hubbard, travaillant séparément, ont proposé ce qu'on a appelé le modèle Hubbard, qui décrit la physique essentielle de nombreuses particules quantiques en interaction. La solution du modèle, cependant, n'existe que dans une dimension. Depuis des décennies, les physiciens ont essayé de réaliser le modèle Hubbard en deux ou trois dimensions en créant des simulateurs quantiques qui peuvent l'imiter.

Une collaboration dirigée par Cornell a réussi à créer un tel simulateur en utilisant des monocouches ultrafines qui se chevauchent pour créer un motif moiré. L'équipe a ensuite utilisé cette plate-forme à l'état solide pour cartographier une énigme de longue date en physique :le diagramme de phase du modèle Hubbard à réseau triangulaire.

Leur papier, "Simulation de la physique du modèle Hubbard dans les super-réseaux moirés WSe2/WS2, " a été publié le 18 mars dans La nature . L'auteur principal est l'associé postdoctoral Yanhao Tang.

Le projet est dirigé par Kin Fai Mak, professeur agrégé de physique au Collège des arts et des sciences et co-auteur principal de l'article avec Jie Shan, professeur de physique appliquée et d'ingénierie au College of Engineering. Les deux chercheurs sont membres de l'Institut Kavli de Cornell pour la science à l'échelle nanométrique, et ils sont venus à Cornell grâce à l'initiative Nanoscale Science and Molecular Engineering (NEXT Nano) du prévôt. Leur laboratoire commun est spécialisé dans la physique des matériaux quantiques atomiquement minces.

Leur laboratoire s'est associé au co-auteur Allan MacDonald, professeur de physique à l'Université du Texas à Austin, qui en 2018 a théorisé qu'un simulateur de modèle Hubbard serait possible en empilant deux monocouches atomiques de semi-conducteurs, le genre de matériaux que Mak et Shan étudient depuis une décennie.

"Ce que nous avons fait, c'est prendre deux monocouches différentes de ce semi-conducteur, le disulfure de tungstène (WS2) et le diséléniure de tungstène (WSe2), qui ont une constante de réseau légèrement différente l'une de l'autre. Et quand tu mets l'un sur l'autre, vous créez un motif appelé un super-réseau moiré. " a déclaré Mak.

Le superréseau moiré ressemble à une série d'hexagones imbriqués, et à chaque jonction - ou site - dans le motif hachuré, les chercheurs placent un électron. Ces électrons sont généralement piégés en place par la barrière énergétique entre les sites. Mais les électrons ont suffisamment d'énergie cinétique pour que, parfois, ils peuvent sauter par-dessus la barrière et interagir avec les électrons voisins.

"Si vous n'avez pas cette interaction, tout est en fait bien compris et en quelque sorte ennuyeux, " dit Mak. " Mais quand les électrons sautillent et interagissent, c'est très intéressant. C'est ainsi que vous pouvez obtenir le magnétisme et la supraconductivité."

Parce que les électrons ont une charge négative et se repoussent, ces interactions qui s'ensuivent deviennent de plus en plus compliquées lorsqu'elles sont si nombreuses en jeu, d'où la nécessité d'un système simplifié pour comprendre leur comportement.

"On peut contrôler très précisément l'occupation de l'électron à chaque site, " dit Mak. "Nous mesurons ensuite le système et traçons le diagramme de phase. De quel type de phase magnétique s'agit-il ? Comment les phases magnétiques dépendent-elles de la densité électronique ?"

Jusque là, les chercheurs ont utilisé le simulateur pour faire deux découvertes importantes :l'observation d'un état isolant de Mott, et cartographier le diagramme de phase magnétique du système. Les isolants Mott sont des matériaux qui doivent se comporter comme des métaux et conduire l'électricité, mais fonctionnent plutôt comme des isolants – phénomènes que les physiciens ont prédit que le modèle Hubbard démontrerait. L'état fondamental magnétique des isolants de Mott est également un phénomène important que les chercheurs continuent d'étudier.

Bien qu'il existe d'autres simulateurs quantiques, comme celui qui utilise des systèmes d'atomes froids et un réseau artificiel créé par des faisceaux laser, Mak dit que le simulateur de son équipe a le net avantage d'être un "véritable simulateur à plusieurs particules" qui peut facilement contrôler ou ajuster la densité des particules. Le système peut également atteindre des températures effectives beaucoup plus basses et évaluer les états fondamentaux thermodynamiques du modèle. À la fois, le nouveau simulateur n'est pas aussi efficace pour régler les interactions entre les électrons lorsqu'ils partagent le même site.

"Nous voulons inventer de nouvelles techniques pour pouvoir également contrôler sur place la répulsion de deux électrons, " dit Mak. " Si nous pouvons contrôler cela, nous aurons un modèle Hubbard hautement ajustable dans notre laboratoire. Nous pouvons alors obtenir le diagramme de phase complet du modèle Hubbard."