04.02.2021

Verdrehte van-der-Waals-Materialien

Materialklasse dient als neue Plattform zur Realisierung exotischer Materie.

Das Team des Max-Planck-Instituts für Struktur und Dynamik der Materie MPSD in Hamburg, der RWTH Aachen und des Flatiron-Instituts, der Columbia University und des Max Planck – New York City Center for Non-equilibrium Quantum Phenomena präsentiert einen spannenden Fahrplan für das pulsierende Feld der verdrehten van-der-Waals-Materialien. Angesichts der rasanten Fortschritte der letzten Zeit stellt das Team seine Vision der möglichen zukünftigen Forschungs­bereiche vor. Das Team skizziert in einer Studie das enorme Potential dieser verdrehten Materialien – sowohl im Hinblick auf die Grundlagen­forschung als auch auf ihre möglichen Anwendungen in der Material­wissenschaft und der Quanten­informations­technologie.

Abb.: Verdrehte Van der Waals-Materialien bieten enormes Potential für die...
Abb.: Verdrehte Van der Waals-Materialien bieten enormes Potential für die Grundlagen­forschung, Material­wissenschaften und Quanten­technologien. (Bild: J. Harms, MPSD)

Verdrehte van der Waals-Materialien bestehen aus gestapelten Schichten zwei­dimensionaler Systeme mit einem bestimmten Drehwinkel zueinander. Es wird gezeigt, dass sie ein vielseitiges Werkzeug zur Realisierung vieler begehrter Quantenmodell­systeme darstellen, welche exotische und bislang schwer realisierbare Materiephasen von potenzieller Relevanz für die Material­wissenschaft und Quanten­technologien aufweisen. Somit fungieren verdrehte Van der Waals-Materialien als material­basierte Quanten­simulatoren. Sie eröffnen neue Wege zur Bereitstellung sauberer Systeme, die sich durch den Verdrehungs­winkel, die Stapelungs­sequenz, das Substrat oder die Anschnitt­techniken extrem gut kontrollieren lassen.

Die Forscher zeigten, dass sich das Potenzial der verdrehten Van der Waals-Materialien noch vervielfacht, wenn man sie mit weiteren wichtigen Forschungs­gebieten der kondensierten Materie und der Quanten­technologie zusammenbringt. Zum Beispiel ließe sich durch die Wechsel­wirkung der Materialien mit Nicht-Gleichgewichtszuständen oder Hohlräumen noch mehr reichhaltige Physik aufdecken. Sie ermöglichen somit eine Vielfalt an Erweiterungen. „Eine der Stärken dieser neuartigen Materialien ist, dass sie ein noch nie da gewesenes Maß an Abstimm­barkeit bieten“, sagt Dante Kennes. „Dadurch können wir viele der verschiedenen Gitterquanten­modelle, die in den letzten Jahrzehnten im Bereich der Forschung an kondensierter Materie in den Mittelpunkt gerückt sind, effektiv realisieren.“

Exotische Phasen der Materie, wie die schwer realisierbare Spin-Flüssig­keits-Phase oder Systeme mit topologischen, für Quanten­technologien relevanten, Eigenschaften, könnten damit in greifbare Nähe rücken. „Wir stehen wirklich am Anfang einer fasz­inierenden Reise, um das enorme Ausmaß der chemischen und physikalischen Kombinationen auf diesem Gebiet zu erforschen“, sagt Lede Xian über seine jüngste Arbeit. „Viele weitere spannende Entdeckungen, von denen wir einige in unserer Arbeit skizzieren, werden folgen“, ergänzt sein Kollege Martin Claassen. 

Verdrehte van der Waals-Materialien stellen aufgrund ihrer Komplexität eine außer­gewöhnliche experimentelle Herausforderung dar. Sie eröffnen zudem völlig neue Wege der Manipulation und Kontrolle von Quanten­materialien, so Ángel Rubio, Direktor der Theorie­abteilung des MPSD: „Diese Materialien lassen uns neue Phasen der Materie entschlüsseln und versprechen eine breite Palette von Anwendungen in der Quanten­technologie. Wir berühren in diesem per­spektivischen Artikel nur die Oberfläche dieser Möglichkeiten und können noch viele weitere Überraschungen auf dieser spannenden Forschungs­reise erwarten. Die Fülle an fas­zinierenden neuen Phänomenen vervielfacht sich, wenn man diese Systeme aus dem Gleichgewicht bringt oder sie in optische Hohlräume einbettet. Viele weitere interessante Phänomene warten darauf, von uns enträtselt zu werden.“

MPSD / JOL

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