Moiré-Strukturen aus DNA
Aus den Bausteinen des Lebens lassen sich multifunktionale DNA-Moiré-Supergitter zusammensetzen, wie in der aktuellen „Physik in unserer Zeit“ erklärt.
Andreas Peil, Xinxin Jing, Laura Na Liu
Moiré-Strukturen entstehen durch die räumliche Modulation gestapelter Untergitter, die leicht unterschiedliche Gitterkonstanten und/oder Orientierungen aufweisen. Das dadurch entstehende neue, großflächige Interferenzmuster – das Moiré-Muster oder auch Moiré-Supergitter (Übergitter) – besitzt eine Moiré-Periodizität, die sich über mehrere Einheitszellen der Untergitter erstreckt. Was auf den ersten Blick wie ein rein geometrischer Effekt aussieht, kann die physikalische Eigenschaften des Materials grundlegend verändern. Solche Moiré-Supergitter haben sich folglich in den letzten Jahren zu einem zentralen Forschungsfeld in der modernen Festkörperphysik entwickelt.
Atomare Moiré-Supergitter mit Untergitterkonstanten (die Gitterkonstanten der einzelnen Untergitter der Moiré-Struktur) im Ångstrombereich begründeten das Forschungsgebiet der Twistronik. Diese Disziplin beschäftigt sich mit der gezielten Steuerung der elektronischen Eigenschaften von Materialien durch das Verdrehen („twist“) übereinanderliegender kristalliner Schichten. Ein prominentes Beispiel stellen hierbei verdrehte Graphen-Doppelschichten dar. Bei einem „magischen“ Verdrehungswinkel von 1,1° zwischen zwei Graphen-Gitterschichten entsteht eine Moiré-Struktur, die die elektronische Bandstruktur des Graphens ändert. Es bilden sich flache elektronische Bänder aus, in denen Elektronen stark miteinander wechselwirken, was das Auftreten faszinierender Quantenphänomene, von korrelierenden Isolatorzuständen bis hin zu Supraleitung, ermöglicht.
Die Twistronik eröffnete somit einen völlig neuen Freiheitsgrad in der Materialgestaltung. Neben der chemischen Materialzusammensetzung und der Kristallstruktur wird der Verdrehungswinkel der Kristallschichten selbst zu einem zentralen Kontrollparameter der Materialeigenschaften. Das Aufkommen der Twistronik hat im Folgenden auch die Entwicklung entsprechender Analoga in der Photonik vorangetrieben. Moiré-Strukturen mit Untergitterkonstanten im Submikrometermaßstab eröffnen komplett neue Möglichkeiten zur gezielten Kontrolle von Licht.
Super-Moiré-Magnetismus in 2D-Materialien entdeckt
Eine neue Art von Magnetismus
Die Herstellung solcher Strukturen erfordert jedoch meist komplexe und damit aufwändige und fehleranfällige Arbeitsschritte. So müssen etwa die vorgefertigten Untergitterschichten exakt ausgerichtet, verdreht, und unter streng kontrollierten Bedingungen gestapelt und transferiert werden. Während Moiré-Strukturen auf atomaren Längenskalen und im Submikrometerbereich nichtsdestotrotz bereits intensiv untersucht wurden, ist der dazwischenliegende Nanometerbereich bislang weitgehend unerforscht geblieben. Dieser Umstand ist nicht nur den komplexen Herstellungsprozessen geschuldet, sondern beruht auch auf der begrenzten Verfügbarkeit geeigneter Materialien. So stehen auf atomarer Ebene eine Reihe von Kristallgittern (Van-der-Waals-Materialien) und im Submikrometerbereich unterschiedliche synthetische Gitter (Metaoberflächen) zur Verfügung. Auf Nanoebene mangelte es bisher jedoch an entsprechenden Materialien.
Welche neuen Lösungen es für diese Fragen gibt, lesen Sie im vollständigen Artikel der aktuellen „Physik in unserer Zeit“ unter dem unten angegebenen Link.
