Licht kann Atome in Moiré-Gitter dazu bringen, sich zu verdrehen

Ein Team von Wissenschaftlern der Cornell University, der Stanford University und des Max-Planck-Instituts für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD) in Hamburg hat gezeigt, dass Moiré-Muster sich bei Beleuchtung mit Licht kohärent bewegen können. Ihre Studie enthüllt ultraschnelle atomare Verdrehungen in 2D-Materialien und widerlegt damit die bisherige Ansicht, dass Licht nur eine zufällige Erwärmung des Materials verursacht. Diese Arbeit eröffnet neue Möglichkeiten zur Steuerung des elektronischen Verhaltens mit Licht in optoelektronischen Geräten der nächsten Generation. Die Studie wurde nun in Nature veröffentlicht.

Ein Moiré ist der wellenförmige, sich verändernde Effekt, der entsteht, wenn sich zwei Muster überlagern. Man kennt ihn von Fenstergittern, die Wellen bilden, von gestreiften Stoffen, die schimmern, oder von einer Handykamera, die einen Fernsehbildschirm seltsam aussehen lässt. Bemerkenswert ist, dass diese Moiré-Muster auch mit Materialien erzeugt werden können, die fast eine Million Mal dünner sind als ein menschliches Haar. In diesem winzigen Maßstab ermöglichen sie es uns, die seltsame Quantenwelt mit Hilfe von Licht zu erforschen. Das Verständnis solcher Phänomene auf atomarer Ebene – und in Zeiträumen von nur einem Tausendstel einer Milliardstel Sekunde – eröffnet neue Wege für die Nutzung von Quanteneffekten in zukünftigen Technologien.

Jetzt hat ein Team von der Universitäten Cornell und Stanford sowie dem MPSD mithilfe von ultraschneller Elektronenbeugung und Simulationen im atomaren Maßstab Atome innerhalb eines Moiré beobachtet, die sich in perfekter Synchronität verdrehen und wieder entdrehen. Dies ist ein wichtiger Schritt hin zur Nutzung von Licht für die kohärente, ultraschnelle Steuerung des kollektiven elektronischen und atomaren Verhaltens in Moiré-Systemen. Die Ergebnisse verbessern unser Verständnis davon, wie Moiré-Muster schnell manipuliert werden können und wie das resultierende Moiré-Potenzial die elektronischen Eigenschaften beeinflusst – wichtige Erkenntnisse für die Entwicklung zukünftiger Technologien, die von Energieanwendungen bis hin zu neuartigen magnetischen Geräten reichen.

Mithilfe der ultraschnellen Elektronenbeugung mit Femtosekundenauflösung beobachteten die Forscher, dass sich die Moiré-Beugungspeaks von MoSe₂/WSe₂ innerhalb der ersten Pikosekunde nach der Lichtexzitation verstärkten, was eine vorübergehende Verstärkung der Moiré-Verzerrung zeigte, bevor diese allmählich abklang. Detaillierte Analysen und atomare Simulationen deckten eine Terahertz-Frequenz-Twist-Untwist-Oszillation von etwa einem halben Grad auf – eine bemerkenswert große Bewegung im atomaren Maßstab, die durch lichtinduzierte Zwischenschichtkräfte angetrieben wird. Diese Erkenntnis widerspricht der gängigen Lehrmeinung, dass photoangeregte Gitterverformungen eher zu inkohärenten Atombewegungen führen sollten – was zu Erwärmung und Unordnung führt – als zu einer kohärenten Twistwinkelmodulation. Durch die vorübergehende Modulation des Moiré-Potenzials eröffnet diese kohärente, lichtgetriebene atomare Bewegung einen neuen Weg zur dynamischen Steuerung von Exzitonen und Polaronen. Außerdem ermöglicht sie es, in Moiré-Materialien auf ultraschnellen Zeitskalen, die bisher unerreichbar waren, korreliertes Elektronenverhalten zu erzeugen.

Cameron Duncan, der Erstautor der Studie, sagte: „Wir waren die Ersten, die das ultraschnelle Moiré-Signal entdeckt haben, weil wir unsere selbstgebaute Hardware so angepasst haben, dass sie die Beugungsauflösung verbessert.“ Prof. Jared Maxson von der Cornell University fügt hinzu: „Das Neue daran ist, dass wir die Verdrehung durch Licht dynamisch verstärken und tatsächlich in Echtzeit beobachten können.“ Prof. Fang Liu, Projektleiterin in Stanford, die die Moiré-Materialien für diese Forschung entwickelt hat, ergänzt: „Wir haben gezeigt, dass das Moiré-Muster keineswegs feststeht – die Atome bewegen sich. Tatsächlich vollführen die Atome innerhalb jeder Moiré-Einheitszelle eine Art Kreistanz.“ Dr. Indrajit Maity, ehemaliger Postdoktorand am MPSD und jetzt in Newcastle tätig, reflektiert: „Es war äußerst befriedigend zu sehen, dass unsere Vorhersage der Atombewegung durch dieses bemerkenswerte Experiment bestätigt wurde.“ Prof. Ángel Rubio, der die Analyse auf atomarer Ebene geleitet hat, fügt hinzu: „Wir haben verschiedene elektronische Eigenschaften von Moiré-Materialien untersucht – von Supraleitung bis Magnetismus. Bislang gingen wir jedoch davon aus, dass ein einmal entstandenes Moiré-Muster nicht dynamisch verdreht oder entdreht werden kann. Diese Studie widerlegt diese Annahme.“ Er merkte weiter an, dass „die Steuerung der Moiré-Dynamik mit Licht es Wissenschaftlern ermöglichen könnte, Quantenzustände ein- und auszuschalten oder ihre Eigenschaften schnell anzupassen.“