康奈尔大学 WSe2/WS2双层中的ⅱ型带排列
信用:自然(2020)
DOI: 10
1038/s 14586-020-2085-3 为了理解量子粒子的行为，想象一个弹球游戏——但不是一个金属球，而是数十亿个或更多的金属球，所有的金属球都在彼此之间以及它们的周围反弹
物理学家长期以来一直试图研究这种强关联粒子的交互系统，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，可以捕捉这些粒子相互作用的本质
1963年，物理学家马丁·古茨韦勒、俊杰罗·卡那莫里和约翰·哈伯德——分别工作——提出了后来被称为哈伯德模型的东西，该模型描述了许多相互作用的量子粒子的基本物理
然而，模型的解决方案只存在于一个维度中
几十年来，物理学家试图通过创建能够模拟哈伯德模型的量子模拟器来实现二维或三维的哈伯德模型
康奈尔大学领导的一项合作已经成功地创建了这样一个模拟器，它使用超薄单层重叠来制作莫尔图案
该团队随后利用这个固态平台绘制了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“WS2/WS2莫尔超晶格中哈伯德模型物理的模拟”发表在3月18日的《自然》杂志上
第一作者是博士后唐
该项目由文理学院物理系副教授、该论文的合著者麦建辉和工程学院应用与工程物理学教授桀山共同领导
两位研究人员都是康奈尔纳米科学学院的成员，他们是通过教务长的纳米科学和分子工程倡议来到康奈尔的
他们共享的实验室专门研究原子级薄量子材料的物理
他们的实验室与合著者艾伦·麦克唐纳(Allan MacDonald)合作，后者是德克萨斯州大学奥斯汀分校的物理学教授，他在2018年提出哈伯德模型模拟器可能是通过堆叠两个半导体原子单层实现的，这种材料Mak和Shan已经研究了十年
“我们所做的是取这种半导体的两个不同单层，二硫化钨(WS2)和二硒化钨(WS2)，它们的晶格常数彼此略有不同
当你把一个放在另一个上面时，你就产生了一个叫做莫尔超晶格的图案
”麦说
莫尔超晶格看起来像一系列互锁的六边形，在交叉影线图案的每个结合点或位置，研究人员放置一个电子
这些电子通常被两个位置之间的能垒捕获
但是电子有足够的动能，偶尔它们可以跳过障碍，与邻近的电子相互作用
“如果你没有这种互动，一切其实都很好理解，有点无聊，”麦说
“但是当电子跳跃并相互作用时，这就非常有趣了
这就是如何获得磁性和超导性
" 因为电子带负电荷并相互排斥，当有这么多电子参与时，这些随之而来的相互作用变得越来越复杂——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置的电子占据，”麦说
“然后我们测量系统并绘制相图
是什么样的磁相？磁相是如何依赖于电子密度的？" 到目前为止，研究人员使用模拟器取得了两项重大发现:观察莫特绝缘状态，绘制系统的磁相图
莫特绝缘体是一种行为应该像金属并导电的材料，但功能却像绝缘体——物理学家预测哈伯德模型将会证明这种现象
莫特绝缘体的磁基态也是研究人员继续研究的一个重要现象
虽然还有其他量子模拟器，比如使用冷原子系统和由激光束创建的人工晶格的模拟器，但Mak说，他的团队的模拟器具有明显的优势，是一个“真正的多粒子模拟器”，可以轻松控制或调整粒子密度
该系统还可以达到低得多的有效温度，并评估模型的热力学基态
与此同时，当电子共享同一个位置时，新的模拟器在调节电子之间的相互作用方面并不成功
“我们想发明新技术，这样我们就可以控制两个电子的原位排斥，”麦说
“如果我们能够控制这一点，我们的实验室将拥有一个高度可调的哈伯德模型
然后我们可以得到哈伯德模型的完整相图
"
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