Verdrehtes 2D-Material bietet neue Einblicke in die stark korrelierte, eindimensionale Physik

Forscher vom MPSD, der RTWH Aachen und dem Flatiron Institute in den USA haben entdeckt, dass die Möglichkeiten, die durch das verdrehte Aufeinanderlegen von zwei atomar dünnen Materialschichten entstehen, größer sind als bislang gedacht.

Eindimensionale korrelierte Zuständen entstehen in verdrehem, zweilagigem Germaniumselenid. Die Abbildung zeigt die durch Dichtefunktionaltheorie bestimmte Ladungsverteilung eines solchen Zustandes.

Die vier Wissenschaftler untersuchten Germaniumselenid, ein Material mit einer rechteckigen Einheitszelle statt Gittern mit drei- oder sechsfachen Symmetrien wie Graphen oder WSe2. Durch das Verknüpfen von umfassenden ab initio und Dichtematrixrenormierungsmethoden zeigten sie, dass das Moiré-Interferenzmuster parallele Drähte aus korrelierten, eindimensionalen Systemen bildet. Ihre Arbeit ist nun in Nature Communications erschienen.

Diese Ergebnisse eröffnen neue Möglichkeiten für die Realisierung von Strukturen mithilfe von Moiré-Physik. Sie sind ein weiterer Schritt voran in der Frage, wie korrelierte zweidimensionale Systeme zu eindimensionalen übergehen. Teilchen können sich in eindimensionalen Systemen nicht aneinander vorbei bewegen wie es in mehreren Dimensionen der Fall wäre. Die Korrelationen müssen zu kollektiven Anregungen führen, weshalb diese Systeme von großem Interesse sind.

Die kombinierte Analyse durch zwei komplementäre Methoden hat überzeugende Ergebnisse geliefert, so Dante Kennes: „Wir konnten das Phasendiagramm der zwei verdrehten GeSe-Schichten bestimmen und haben eine Vielfalt realisierbarer Materiephasen gefunden, inklusive korrelierter Mottisolatoren und der sogenannten Luttinger Liquid-Phase, die eine Physik aufzeigt, welche unserem Einteilchenbild grundlegend widerspricht.“ Lede Xian fügt hinzu: „Wir haben verdrehtes GeSe als eine interessante Plattform etabliert, mit deren Hilfe wir die stark korrelierte 1D-Physik und den Übergang von einer zu zwei Dimensionen auf sehr kontrollierbare und experimentell zugängliche Weise verstehen können.“

Diese Arbeit eröffnet viele neue Perspektiven. Ein besonders interessanter Ansatz ist der Austausch von Elementen in GeSe, um eine höhere Spin-Orbit-Kopplung zu erreichen. Wie Martin Claassen vom Center for Computational Quantum Physics am Flatiron Institute erklärt: „Wenn man ein solches System an ein supraleitendes Substrat koppelt, sollte dies unter den richtigen Bedingungen topologisch geschützte Majoranarandmoden erzeugen.“ Diese Zustände sind besonders bedeutsam, da sie als sogenannte Qubits dienen könnten – dem Quanten-äquivalent eines klassischen Bits, also dem Grundbestandteil aller Computer.

Daher bietet die Fähigkeit, viele parallele Moiré-Drähte mit Majoranas an ihren Enden herzustellen, einen faszinierenden Ansatz, um topologische Quantenberechnungen auf schnellen Zeitskalen zu realisieren. Ángel Rubio, der Direktor der MPSD-Theorieabteilung, sagt: „Diese Arbeit gibt uns wertvolle Einblicke, wie verdrehte 2D-Materialien genutzt werden können, um bestimmte Eigenschaften auf Abruf zu erzeugen.“

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