Passende Schwingungen verändern Materialien

Die Welt kommt nie wirklich zur Ruhe. Selbst in einem Vakuum bei ultrakalten Temperaturen, wo alle klassischen Bewegungen zum Stillstand kommen sollten, gibt es Quantenfluktuationen. In dünnen, zweidimensionalen Materialien gehören dazu zufällige Schwingungen, die elektromagnetische Felder verändern können – eine Eigenschaft, von der Theoretiker seit langem annehmen, dass sie für die Modifizierung von Materialien nützlich sein könnte. Angel Rubio, Direktor der Abteilung Theorie am Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD) in Hamburg, ist einer der Architekten dieser Idee. Zusammen mit Kollegen entwickelte Rubio den theoretischen Rahmen, der vorhersagt, dass Quantenfluktuationen in Hohlräumen die Eigenschaften von Festkörpern verändern können – ohne jegliche äußere Krafteinwirkung. Nun wurde diese Vorhersage erstmals experimentell bestätigt. In einem neuen Artikel, der in Natureveröffentlicht wurde, zeigt ein internationales Team von 33 Forschern aus 17 Institutionen – darunter eine große Gruppe vom MPSD –, dass Quantenfluktuationen allein aus dem Vakuum innerhalb atomdünner Schichten eines 2D-Materials die Eigenschaften eines nahegelegenen Kristalls verändern können.

Es ist ein Heiliger Gral, nach dem wir seit Jahrzehnten suchen“, sagte Dmitri Basov, Higgins-Professor für Physik an der Columbia University, der die experimentellen Arbeiten leitete. „Wir glauben, dass wir ihn gefunden haben.“

Das Team unter der Leitung der Wissenschaftler Itai Keren, Tatiana Webb und Shuai Zhang von der Columbia University platzierte eine nanometergroße Flocke aus hexagonalem Bornitrid (hBN) auf dem supraleitenden Material κ-(BEDT-TTF)₂Cu[N(CN)₂]Br, bekannt als κ-ET. Ohne zusätzliche Laser oder andere externe Antriebskräfte kam die Supraleitung zum Stillstand.

Das ist nicht ganz das Ergebnis, das diejenigen anstreben, die den verlustfreien Stromfluss verbessern wollen, aber es ist ein wichtiger Beweis für die Machbarkeit des Konzepts. „Jeder neue Regler, den man zur Veränderung der Supraleitung finden kann, ist bedeutend“, sagte Keren.

Die zwischen den Schichten von hBN festgestellten Quantenfluktuationen schwingen mit einer charakteristischen Resonanz, die zufällig mit der von κ-ET übereinstimmt. „Das war unsere Intuition: Wenn die Schwingungen übereinstimmen, sollten sie miteinander interagieren“, sagte Keren. Wenn die beiden miteinander interagieren, verändert sich die elektromagnetische Umgebung im κ-ET-Kristall in einer Weise, die die Bewegung seiner Elektronen behindert und sie daran hindert, einen kollektiven, supraleitenden Zustand zu erreichen. Als sie hBN mit einem Supraleiter mit anderen Resonanzen testeten, passierte nichts.

Die Idee entstand vor Jahren im Central Park. Während eines Besuchs in New York diskutierte Rubio mit dem damals skeptischen Basov das Potenzial von Quantenfluktuationen. „Ich hielt seinen Vorschlag für unmöglich, aber er war so verlockend, dass ich ihn einfach ausprobieren musste“, erinnert sich Basov. Die Gespräche waren Teil eines umfassenderen und fortlaufenden Austauschs zwischen dem MPSD und der Columbia University über das Max Planck–New York Center for Non-Equilibrium Quantum Phenomena, eine Kollaboration, die zu einem Katalysator für diese Art der kontinentübergreifenden Zusammenarbeit geworden ist. Rubios theoretische Arbeit – darunter eine bahnbrechende Studie aus dem Jahr 2018 in Science Advances mit Sentef und Ruggenthaler, die zeigte, dass Hohlraumvakuumfelder die Elektron-Phonon-Kopplung in Supraleitern verändern können – lieferte die konzeptionelle Grundlage für das Experiment.

Die Frage war, wie - aber in Basovs Nanooptiklabor wartete hBN – eine Lösung, die nur auf dieses Problem wartete. hBN ist in vielen experimentellen Anwendungen zum Arbeitstier geworden, jedoch in der Regel als inerter, isolierender Abstandshalter. Aber seit 2014 beobachtete Basovs Labor interessante optische Eigenschaften in hBN, die es im Laufe der Jahre, während seine Gespräche mit Rubio weitergingen, zu einem verlockenden Kandidaten für einen Hohlraumresonator machten.

Ein Hohlraumresonator (Cavity) ist eine Struktur, die Licht und andere elektromagnetische Wellen einschließt. Wenn keine Wellen vorhanden sind, handelt es sich gewissermaßen um ein Vakuum – was jedoch nicht bedeutet, dass es sich um einen völlig leeren Raum handelt. In Hohlräumen finden weiterhin Quantenfluktuationen statt. Herkömmlicherweise wurden Spiegel verwendet, um Hohlrraumresonatoren zu bauen, aber Quantenfluktuationen verstärken sich, wenn Hohlräume schrumpfen. Nanometerdünne hBN-Platten sind so klein wie nur möglich.

Mit speziellen optischen Nahfeldmikroskopen (SNOMs) bestätigten Zhang, heute Assistenzprofessor an der Fudan-Universität, und andere Mitglieder von Basovs Labor im Laufe der Jahre, dass vibrierende Quasiteilchen, die innerhalb der Schichten von hBN entstehen, mit Schwingungen in anderen Kristallen, einschließlich supraleitendem κ-ET, interagieren und diese modifizieren können. SNOMs sind jedoch optische Werkzeuge, die auf Photonen basieren – Lichtteilchen, die ebenfalls Materialien modifizieren können. Um zu beweisen, wozu Quantenfluktuationen allein in der Lage sind, brauchte Basov eine Möglichkeit, im Dunkeln zu arbeiten – im wahrsten Sinne des Wortes.

Mitautor und Kollege Abhay Pasupathy, ebenfalls Physiker an der Columbia University, hatte genau das richtige dunkle Messgerät: ein kryogenes Magnetkraftmikroskop (MFM). MFMs erkennen den Meissner-Effekt, also die Abstoßungskraft zwischen einem Supraleiter und einem Magneten, und Pasupathys Labor kann Supraleiter durch Deckschichten bei extrem kalten Temperaturen erkennen.

Keren und Webb führten die MFM-Experimente meisterhaft durch, deren Ergebnisse Rubio für zu gut hielt, um wahr zu sein. „Vakuumfluktuationen sind extrem klein, aber der beobachtete Effekt ist enorm“, sagte er. Die Supraleitfähigkeit wurde im κ-ET auf fast einem halben Mikrometer Breite unterdrückt – das Zehnfache der Breite des verwendeten hBN-Flakes.

In der Vergangenheit war die Veränderung der Eigenschaften eines Materials in der Regel mit einer Art Erschütterung verbunden, erklärte Rubio: einem mechanischen Druck, zusätzlicher Wärme oder einem Laserimpuls, was zu einem kurzlebigen Effekt führte. Ohne die Einwirkung äußerer Kräfte könnten die Veränderungen jedoch dauerhafter sein. Er und seine Mitstreiter arbeiten noch daran, eine einheitliche Erklärung für die herausragenden Ergebnisse zu finden. „Auch wenn die Theorie die Ergebnisse noch nicht vollständig erklärt, haben wir nun den experimentellen Beweis für vakuumvermittelte Wechselwirkungen in einem Materialsystem. Langfristig dürfte dies ein wichtiger Meilenstein sein“, so Rubio.

Die hyperbolische Natur von hBN ist ein wichtiges Merkmal. Hyperbolische Materialien sind auf einzigartige Weise so strukturiert, dass sie alle internen Schwingungen verstärken – man stelle sich eine „Welle“ vor, die von einer einzelnen Person auf ein ganzes Stadion übergreift. „Das ist ein bemerkenswerter Effekt, den man mit hyperbolischen Materialien erzielen kann“, sagte Webb, der jetzt Assistenzprofessor am Barnard College ist. „Wir haben jetzt den Nachweis, dass dies ein praktikabler Weg ist, um die elektronischen Eigenschaften von Materialien zu verändern, und das ist etwas, das wir in Materialdesigns integrieren könnten.“

Die Schwingungen in hBN können beispielsweise durch Veränderung seiner Dicke angepasst werden. „Wenn wir diese kontrollieren können, können wir unseren Supraleiter nach Belieben manipulieren. Aber wir sprechen hier nicht nur von Supraleitern“, sagte Keren. Verschiedene Arten von Magneten und ferroelektrischen Materialien haben spezifische Schwingungen, die mit ihren Eigenschaften verbunden sind; um sie zu modifizieren, könnte es ausreichen, einen passenden Hohlraumresonator zu finden. „Wir gehen davon aus, dass andere nach neuen Kombinationen suchen werden“, sagte Keren.

Aus dem Vakuum eines Quantenhohlraums entsteht eine völlig neue Art der Materialentwicklung. Für das MPSD ist das Ergebnis ein Meilenstein: die experimentelle Bestätigung einer theoretischen Vision, die seit über einem Jahrzehnt im Mittelpunkt der Theorieabteilung des Instituts steht. Was als Gespräche zwischen einem Theoretiker und einem Experimentalphysiker im Central Park begann, hat nun zu einem der ersten Nachweise geführt, dass das Quantenvakuum allein die Eigenschaften von Materie verändern kann.

Dieser Artikel basiert auf dieser Pressemitteilung von Ellen Neff von der Columbia University: https://quantum.columbia.edu/news/matching-vibrations-all-it-takes-modify-materials