Verdrehte Van der Waals-Materialien als neue Plattform zur Realisierung exotischer Materie

Forscher*innen aus Deutschland und den Vereinigten Staaten haben eine neue Perspektive zum Potenzial verdrehter Van der Waals-Materialien in der Realisierung neuartiger und schwer realisierbarer Materiezustände sowie zur Bereitstellung einer einzigartigen, festkörperbasierten Quantensimulationsplattform geliefert.

Das Team des MPSD, 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 faszinierenden zukünftigen Forschungsbereiche vor. 

Verdrehte Van der Waals-Materialien bieten enormes Potential für die Grundlagenforschung, Materialwissenschaften und Quantentechnologien.

In der in Nature Physics veröffentlichten Arbeit verweist das Team auf das enorme Potential der verdrehten Van der Waals-Materialien - sowohl im Hinblick auf die Grundlagenforschung als auch auf ihre möglichen Anwendungen in der Materialwissenschaft und der Quanteninformationstechnologie.

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, die 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. 

Das Team zeigt zudem, dass sich das Potenzial dieser Materialien noch vervielfacht, wenn man sie mit weiteren wichtigen Forschungsgebieten der kondensierten Materie und der Quantentechnologie zusammenbringt. Zum Beispiel ließe sich durch die Wechselwirkung von Van der Waals-Materialien mit Nicht-Gleichgewichtszuständen oder Hohlräumen noch mehr reichhaltige Physik aufdecken. Sie ermöglichen somit eine Vielfalt an neuen Erweiterungen.

"Eine der Stärken dieser neuartigen Materialien ist, dass sie ein noch nie dagewesenes Maß an Abstimmbarkeit bieten", sagt Hauptautor 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", berichtet Co-Autor Lede Xian über seine jüngste Arbeit. "Viele weitere spannende Entdeckungen, von denen wir einige in unserer Arbeit skizzieren, werden folgen", ergänzt Mitautor Martin Claassen. 

Verdrehte Van der Waals-Materialien stellen aufgrund ihrer Komplexität eine außergewöhnliche experimentelle Herausforderung dar. Sie eröffnen dazu völlig neue Wege der Manipulation und Kontrolle von Quantenmaterialien, so Ángel Rubio, der 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." 

Wie die Arbeit des Teams zeigt, ist dies ein besonders vielversprechendes Forschungsfeld aufgrund des Verhältnisses zwischen den bereits gelösten und noch zu beantwortenden Fragen, fügt Rubio hinzu: "Die Fülle an faszinierenden neuen Phänomenen nimmt noch zu, 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!"

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