Ein internationales Forschungsteam unter Beteiligung des Instituts für Photonische Quantensysteme (PhoQS) der Universität Paderborn hat einen bedeutenden Fortschritt bei der Erforschung von Quantenmaterialien gemacht. Deren außergewöhnliche Eigenschaften – elektrische Leitfähigkeit, Magnetismus oder Supraleitung – machen sie u.a. für Anwendungen künstlicher Intelligenz und für Quantencomputer relevant. In einer aktuellen Arbeit beschreiben die Forschenden neuartige, hochleitfähige Zonen an den Grenzflächen innerhalb dieser Systeme. Bisher galten die Bereiche als elektrisch isolierend.
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Konkret geht es um „verdrehte Grenzflächen“. Damit sind Materialien gemeint, die aus gestapelten, kristallinen Schichten bestehen, die in einem bestimmten Winkel zueinander angeordnet sind. Diese Anordnung führt zu einzigartigen physikalischen Eigenschaften. Bisher konzentrierten sich Untersuchungen verdrehter Grenzflächen vor allem auf van-der-Waals-Materialien. Die Forschenden konnten jetzt nachweisen, dass das gezielte Verdrehen zweier großer Kristalle aus Lithiumniobat, das nicht zu den klassischen van-der-Waals-Materialien gehört, die Erzeugung neuartiger Grenzflächen ermöglicht. Verbunden wurden die beiden Lithiumniobatschichten durch eine thermische Kompressions-Bonding-Methode, also mittels Hitze und mechanischem Druck. Danach war es möglich, die elektrischen Eigenschaften an der Grenzfläche zu manipulieren. „Wir haben beobachtet, dass je nach Drehwinkel neuartige hochleitfähige Zonen an den Grenzflächen zwischen diesen sonst elektrisch isolierenden Materialien entstehen“, erklärt Michael Rüsing vom PhoQS.
„Mit unserer Arbeit zeigen wir, dass sich die elektronischen Eigenschaften von Materialien präzise steuern lassen. Insbesondere die Möglichkeit, auch stark gebundene Kristalle gezielt zu verdrehen und ihre Grenzflächen zu kontrollieren, eröffnet faszinierende Perspektiven für künftige Quanten- und Nanoelektronik. Dadurch erreichen wir eine Miniaturisierung und Funktionalität von Bauteilen, die bisher undenkbar war“, so Rüsing weiter.
An der Arbeit waren Forschende aus Deutschland, Spanien, Großbritannien und den USA beteiligt. Das Projekt, in dessen Kontext die Publikation entstanden ist, wird von mehreren nationalen und internationalen Organisationen gefördert. In Deutschland wird es u.a. von der DFG im Rahmen einer Forschungsgruppe unterstützt, die mit einem Teilprojekt, geleitet durch Christine Silberhorn, am PhoQS vertreten ist. Die Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung globaler und interdisziplinärer Zusammenarbeit in der Grundlagenforschung. Langfristig eröffnen sie neue Möglichkeiten für den Bau von Computerchips und Speicherelementen, etwa für Quantenanwendungen oder ultraschnelle Rechentechnologien. [U Paderborn / dre]
Weitere Informationen
- Originalpublikation
A. Rogers, K. Holsgrove, N. A. Schäfer, et al., Polar discontinuities, emergent conductivity, and critical twist-angle-dependent behaviour at wafer-bonded ferroelectric interfaces, Nat. Commun. 17, 1842 (2026); DOI: 10.1038/s41467-026-68553-7 - Integrierte Quantenoptik (Christine Silberhorn), Institut für Photonische Quantensysteme (PhoQS), Department Physik, Universität Paderborn
