模型模拟器帮助研究人员绘制复杂的物理现象

时间:2020-03-19 23:32 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

模型模拟器帮助研究人员绘制复杂的物理现象

要理解量子粒子的行为,想象一下弹球游戏——但不是一个金属球,而是数十亿个或更多的金属球,它们相互反弹,并撞击着周围的环境。

长期以来,物理学家们一直试图研究这种强相关粒子的相互作用系统,这可能有助于阐明难以捉摸的物理现象,如高温超导性和磁性。

一个经典的方法是创建一个简化的模型来捕捉这些粒子相互作用的本质。1963年,物理学家Martin Gutzwiller、Junjiro Kanamori和John hubbar分别提出了后来被称为Hubbard模型的理论,该理论描述了许多相互作用的量子粒子的基本物理原理。然而,模型的解决方案只存在于一个维度中。几十年来,物理学家们一直试图通过创建能够模拟哈伯德模型的量子模拟器,在二维或三维空间中实现哈伯德模型。

康奈尔领导的合作团队成功地利用超薄单分子层重叠形成云纹图案,创造了这样一个模拟器。然后,研究小组利用这个固态平台来绘制物理学中一个长期存在的难题:三角形晶格哈伯德模型的相图。

他们的论文《WSe2/WS2莫尔超晶格中哈伯德模型物理的模拟》于3月18日发表在《自然》杂志上。第一作者是博士后助理唐燕浩。

该项目由文理学院物理系副教授麦建辉(Kin Fai Mak)与工程学院应用与工程物理学教授单杰(Jie Shan)共同主持,论文共同高级作者。这两名研究人员都是康奈尔大学纳米科学学院Kavli研究所的成员,他们是通过教务长的纳米科学和分子工程(下一个纳米)计划来到康奈尔大学的。他们共有的实验室专门研究原子厚度的量子材料的物理学。

他们的实验室与作者之一、得克萨斯大学奥斯汀分校(University of Texas at Austin)的物理学教授艾伦·麦克唐纳(Allan MacDonald)合作。麦克唐纳在2018年提出,通过叠加两层半导体原子单层(Mak和Shan已经研究了10年的这类材料),哈伯德模型模拟器将成为可能。

“我们所做的是采用这种半导体的两种不同的单分子层,即二硫化钨(WS2)和二烯化钨(WSe2),它们的晶格常数略有不同。当你把一个放在另一个上面时,你就创造了一种被称为云纹超晶格的图案。”Mak说。

云纹超晶格看起来就像一系列互锁的六边形,在每一个交叉点或交叉点上,研究人员放置一个电子。这些电子通常被这些位置之间的能垒困住。但是电子有足够的动能,有时候,它们可以跳过势垒,和邻近的电子相互作用。

“如果你没有这样的互动,所有的事情实际上都被很好地理解了,有点无聊,”Mak说。“但当电子在周围跳跃并相互作用时,那就非常有趣了。这就是获得磁性和超导性的方法。”

因为电子带负电荷,相互排斥,所以当电子数量如此之多时,这些相互作用会变得越来越复杂——因此需要一个简化的系统来理解它们的行为。

“我们可以非常精确地控制每个位点上电子的占据,”Mak说。“然后我们测量系统并绘制相图。它是什么样的磁相?磁相是怎样依赖于电子密度的?

到目前为止,研究人员已经使用模拟器做出了两个重大发现:观察莫特绝缘状态,以及绘制系统的磁相图。莫特绝缘体是一种应该像金属一样导电的材料,但实际上却像绝缘体一样起作用——物理学家预测哈伯德模型将会证明的现象。莫特绝缘子的磁性基态也是研究人员正在继续研究的一个重要现象。

虽然有其他的量子模拟器,比如使用冷原子系统和激光光束创建的人工晶格,Mak说他的团队的模拟器有一个独特的优势,那就是它是一个“真正的多粒子模拟器”,可以很容易地控制或调整粒子密度。该系统还可以达到更低的有效温度和评估模型的热力学基态。与此同时,当电子共享同一位置时,新的模拟器在调整电子之间的相互作用方面并不那么成功。

“我们想发明新的技术,这样我们也可以控制两个电子的现场斥力,”Mak说。“如果我们能够控制它,我们的实验室就会有一个高度可调的哈伯德模型。然后我们就可以得到哈伯德模型的完整相位图。”

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