Unravelling the intertwined correlated states of matter in moiré superlattices

La recente osservazione di diverse fasi quantistiche correlate, tra cui superconduttività e stati isolanti correlati, in bistrati ruotati di materiali bidimensionali, ha suscitato un enorme interesse scientifico e ha stimolato un'intensa attività di ricerca per comprendere la natura di queste fasi. La capacità di ingegnerizzare in modo robusto gli stati quantistici della materia variando solo pochi parametri sperimentali, come ad esempio l'angolo di torsione tra i due monostrati, rappresenta un importante passo avanti apportato da questi cosiddetti materiali moiré, che hanno dato inizio al nuovo campo della twistronics. In particolare, i materiali moiré realizzati con dicalcogenuri dei metalli di transizione (TMD), hanno guadagnato grande attenzione come nuove piattaforme per simulare, in maniera robusta, fasi quantistiche della materia su reticoli emergenti bidimensionali. Mentre è ampiamente accettato che queste fasi quantistiche siano guidate da forti interazioni elettrone-elettrone nei materiali moiré, la natura quantistica di molte di queste fasi correlate è ancora poco compresa. I metodi teorici e computazionali da primi principi possono essere estremamente potenti nell'aiutare a comprendere i dati sperimentali delle diverse fasi quantistiche e anche a prevedere nuove fasi. Tuttavia, i metodi standard, come la teoria del funzionale della densità, sono computazionalmente estremamente costosi per i sistemi moiré (per i quali le tipiche celle unitarie contengono migliaia di atomi) e generalmente incapaci di affrontare le sfide poste dai materiali fortemente correlati. Per tali materiali è quindi necessario un nuovo approccio. In questa borsa di studio, svilupperò un efficiente framework multiscala, che coinvolge diversi metodi teorici e computazionali, per studiare le fasi quantistiche dei superreticoli di moiré di TMD. In particolare, combinerò calcoli con campi di forza classici, metodi tight-binding, o di legame stretto, basati sull'apprendimento automatico e metodi a molti corpi per superare i limiti degli approcci convenzionali ai principi primi, mantenendo comunque il loro potere predittivo. Questo progetto ci permetterà di far luce sulla natura delle fasi quantistiche emergenti nei materiali moiré, che potranno essere sfruttate nelle tecnologie future.

The recent observation of many quantum correlated phases, including superconductivity and correlated insulating states, in twisted bilayers of 2D materials, has sparked tremendous interest and boosted intense research activity to understand these phases. The ability of robustly engineering quantum states of matter with few tunable experimental knobs, e.g. the twist angle between the two 2D materials, represents a major breakthrough of these so-called moiré materials, which started the new field of twistronics. In particular, moiré materials made from transition metal dichalcogenides (TMDs), have gained significant momentum as a novel and robust platform for simulating quantum phases of matter on emergent 2D lattices. While it is widely accepted that these quantum phases are driven by enhanced electron-electron interactions in moiré materials, the quantum nature of many correlated phases is still poorly understood. Theoretical and computational first principles methods can be extremely powerful in helping to unravel the experimental signatures of the different quantum phases and also predict new ones. However, standard methods, like density functional theory, are computationally too costly for moiré systems (for which typical unit cells contain thousands of atoms) and generally unable to tackle the challenges posed by strongly correlated materials. A new approach is therefore required. In this fellowship, I will develop an efficient multi-scale framework, involving different theoretical and computational methods, for studying quantum phases of TMDs moiré superlattices. Specifically, I will combine classical force field calculations, machine-learning based tight-binding methods and many-body methods to overcome the limitations of conventional first-principles approaches while maintaining their predictive power. This framework will allow us to shed light on the nature of the quantum phases hosted in moiré materials, which can be harnessed in future technologies.