ctd.qmat-Team entziffert Moiré-Supraleitung

Überblick

Im Fachjournal Nature haben internationale Wissenschaftler:innen erstmals den Zusammenhang zwischen Elektronenzuständen in Quantenmaterialien und Moiré-Supraleitung nachgewiesen. Ein standortübergreifendes Team von ctd.qmat-Forschenden lieferte die Theorie.

Wie genau Moiré-Supraleitung entsteht, zählt zu den zentralen Fragen der modernen Festkörperphysik. Ein Forschungsteam des Würzburg-Dresdner Exzellenzclusters ctd.qmat – Complexity, Topology and Dynamics in Quantum Matter hat jetzt die entscheidende Theorie hierfür geliefert. Ihre Ergebnisse sind - gemeinsam mit dem experimentellen Nachweis – wesentlicher Bestandteil einer Studie, die jetzt in der Fachzeitschrift Nature erschienen ist. Langfristig können diese Erkenntnisse dazu beitragen, neue Quantenmaterialien und Supraleiter für künftige Quantentechnologien zu entwickeln.

An der Theorie-Entwicklung haben mitgewirkt: Giorgio Sangiovanni, Gründungsmitglied und Professor für Computational Quantum Materials des Exzellenzclusters ctd.qmat am Standort Würzburg; Roser Valentí, Professorin für Theoretische Festkörperphysik an der Goethe-Universität Frankfurt und Mitglied des Grete-Hermann-Netzwerks von ctd.qmat, Lorenzo Crippa, ehem. ctd.qmat-Postdoc und jetzt an der Universität Hamburg sowie Wissenschaftler:innen aus Princeton. Die Experimente wurden am California Institute of Technology (Caltech) durchgeführt.

Leichte Verdrehung ergibt neuartigen Quantenzustand

Das untersuchte Material besteht aus drei atomar dünnen Graphen-Schichten, die gegeneinander leicht verdreht gestapelt wurden. „Durch die Überlagerung der einzelnen Schichten, die jeweils nur etwa ein Grad voneinander abweichen, entsteht der bekannte Moiré-Effekt“, erklärt Giorgio Sangiovanni. Diese minimale Verdrehung verändert das Verhalten der Elektronen grundlegend: Ihre Beweglichkeit innerhalb einer Materialschicht nimmt ab, während ihre gegenseitigen Wechselwirkungen durch alle drei Schichten dominieren. Durch diese „elektronische Korrelation“ entstehen neuartige Quantenzustände wie zum Beispiel die Moiré-Supraleitung: Elektronen finden sich im Kollektiv zu sogenannten Cooper-Paaren zusammen und bewegen sich widerstandsfrei durch das Material-System.

Materialdesign ermöglicht Supraleitung

Das zentrale Ergebnis: Die Moiré-Supraleitung entsteht nicht in einem gewöhnlichen Metall, sondern in einem dreilagigen Material-System, dessen Kristallstruktur jeweils minimal zueinander verdreht ist. „Graphen ist von Haus aus ein Halbleiter. Erst, wenn zwei oder drei Graphen-Schichten gestapelt und leicht zueinander verdreht werden, verhält es sich wie ein korreliertes Metall und kann supraleitend werden. Das ist nur durch ausgeklügeltes Materialdesign möglich“, so Roser Valentí.