Geschichtete Quantensysteme

Über

Van-der-Waals-Heterostrukturen ermöglichen die Erzeugung exotischer Quantenzustände durch Proximity- und Moiré-Effekte. Wir verwenden modernste Techniken für die Herstellung ultrareiner Heterostrukturen - eine entscheidende Voraussetzung für die Untersuchung ihrer Eigenschaften mit unseren hochmodernen Rastersondenmikroskopen.

Gefördert durch: Emmy Noether Programm

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Dr. Felix Lüpke

PGI-3

Gebäude 02.4w / Raum 301

+49 2461/61-6977

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Aufbau von van-der-Waals-Heterostrukturen

Wir bauen Heterostrukturen aus abgeschälten Flocken geschichteter Materialien mithilfe neuartiger polymerbasierter Herstellungsverfahren auf, die eine Manipulation der Flocken mit Mikrometerpräzision ermöglichen und gleichzeitig atomar saubere Oberflächen und Grenzflächen gewährleisten.

Van-der-Waals-Materialien (vdW) haben eine geschichtete Kristallstruktur, die aus atomar dünnen Schichten mit starken chemischen Bindungen innerhalb der Ebene besteht, die aber nur schwach mit den benachbarten Schichten verbunden sind. Die sich daraus ergebende zweidimensionale Natur der Schichten führt oft zu einzigartigen Eigenschaften, insbesondere wenn eine einzelne Schicht isoliert ist, was vdW-Materialien nicht nur für die Grundlagenforschung, sondern auch für Anwendungen interessant macht. Seit der Entdeckung von Graphen wurden viele andere vdW-Materialien mit einem breiten Spektrum von Eigenschaften synthetisiert - von isolierend bis supraleitend und magnetisch. Aufgrund der schwachen Kopplung zwischen den Schichten können wir atomar dünne Schichten von vdW-Materialien isolieren und sie kontrolliert manipulieren. Wir entwickeln unsere Verfahren zur Herstellung von Heterostrukturen ständig weiter und haben vor kurzem eine "Trocken-Transfer-Flip-Methode" entwickelt, die eine vollständige In-situ-Präparation von Heterostrukturen aus luftempfindlichen Materialien unter Beibehaltung atomar sauberer Oberflächen ermöglicht. Mit dieser Technik können wir Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften kombinieren, um die Eigenschaften von Heterostrukturen durch Proximity-Effekte zu verändern, z. B. um topologische Supraleitung zu erreichen1.

Darüber hinaus untersuchen wir, wie eine kontrollierte Fehlanpassung der Atomgitter in zwei oder mehr Schichten, z. B. durch Rotationsversatz, zu Moiré-Effekten führt, die die elektronischen Eigenschaften der Materialien insgesamt verändern können2 3 (siehe auch unsere Arbeit über verdrehte Graphen-Grenzflächen).



Topologische Zustände

Topologische Rand- und Oberflächenzustände haben einzigartige elektronische Eigenschaften, die sie zu vielversprechenden Kandidaten für Anwendungen, z. B. im Quantencomputing, machen. Mithilfe von Rastersondenverfahren untersuchen wir die lokalen Eigenschaften von topologischen Grenzzuständen in geschichteten Materialien.

Topologische Materialien haben eine invertierte Bandstruktur gemeinsam, die zu topologisch geschützten Grenzzuständen an den Grenzflächen zu einem topologisch trivialen Material, einschließlich Vakuum, führt. Die Materialklasse von Bi2Te3 ist ein prototypischer dreidimensionaler topologischer Isolator mit zweidimensionalen Dirac-Kegel-ähnlichen Oberflächenzuständen, die wir in der Vergangenheit ausführlich untersucht haben4 5 6.

Wenn sie mit Magnetismus in Form von MnBi2Te4 angeregt werden, können wir das Zusammenspiel von Magnetismus und Topologie weiter untersuchen7 8 9. Durch die Integration geschichteter topologischer Isolatoren in Heterostrukturen sind wir in der Lage, topologische Supraleiter10 zu entwickeln, die sogenannte Majorana-Zustände beherbergen können und für Anwendungen im topologischen Quantencomputing infrage kommen.



Proximity-Effekte

Durch die Ausnutzung von Proximity-Effekten zwischen Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften ermöglichen van-der-Waals-Heterostrukturen das systematische Engineering von Quantenzuständen. In unserer Forschung untersuchen wir die lokale Stärke von Proximity-Effekten als Funktion von Materialdicke, Temperatur und Magnetfeld in einer Rastersondenumgebung.

Die Möglichkeit, einzelne Materialien in dünne zweidimensionale Schichten zu isolieren und sie mit anderen geschichteten Materialien mit sehr unterschiedlichen elektronischen Eigenschaften in Lego-ähnlicher Weise zu kombinieren, ermöglicht die Realisierung von physikalischen Eigenschaften, die sonst unerreichbar sind. Die Physik, die das Engineering von Eigenschaften in Heterostrukturen ermöglicht, basiert auf Proximity-Effekten, die auf einer Überlappung der Wellenfunktionen zwischen benachbarten Schichten beruhen. Gleichzeitig bleiben die Eigenschaften der einzelnen Schichten aufgrund der relativ schwachen Bindung zwischen den vdW-Schichten weitgehend intakt. Wir identifizieren neuartige Materialien11 , die in Heterostrukturen eingebaut werden sollen, und charakterisieren die daraus resultierenden Proximity-Effekte als Funktion von Parametern wie Materialdicke, Abstand zwischen den Schichten, Temperatur und Magnetfeld12 13.

Unsere Arbeiten zum supraleitenden Proximity-Effekt als Mittel zur Realisierung neuartiger topologischer supraleitender Phasen werden durch das DFG-"Priority Programme 2244" unterstützt.



Moiré-Gitter

Ein Moiré-Gitter ist ein periodisches Interferenzmuster, das auftritt, wenn sich zwei oder mehr regelmäßige Muster überlappen und ein neues Muster mit einer größeren Einheitszelle entsteht. Dieses Phänomen wird häufig beobachtet, wenn zwei Gitterstrukturen, z. B. Schichten zweidimensionaler Kristalle, mit unterschiedlichen Gitterperiodizitäten oder einem Rotationsversatz kombiniert werden. Moiré-Übergitter führen zu neuen elektronischen Eigenschaften, die manipuliert und eingestellt werden können, was sie zu einer vielseitigen Plattform für die Erzeugung von Quantenzuständen macht.

Wir untersuchen die Realisierung flacher elektronischer Bänder in Graphen- und Übergangsmetall-Dichalcogenid-Heterostrukturen14 15 als einen Weg zu neuen elektronischen Zuständen und supraleitenden Phasen.

Unsere Arbeit zur Anpassung der Supraleitung in Moiré-Gittern wird von der DFG im Rahmen des Emmy Noether-Programms unterstützt.



Funktionalisierte Rastersonden

In unseren Labors implementieren und entwickeln wir neue Arten von Rastersondensensoren, wie z. B. Rasterquantenpunktsensoren und auf Nanodrähten basierende Sondensensoren. Unser Ziel ist es, die Möglichkeiten unserer Rastersondenmikroskope zu erweitern, um Informationen über lokale elektrische Felder, Spin-Sensitivität und Josephson-Tunneling zu erhalten und so ein besseres Verständnis der von uns untersuchten Probensysteme zu erreichen.

Unsere Arbeiten zur Entwicklung von Nanodraht-Sensoren werden von der DFG im Rahmen des Emmy Noether-Programms gefördert.


Mitglieder

Dr. Felix LüpkeGebäude 02.4w / Raum 301+49 2461/61-6977
Dr. Amin KarimiGebäude 02.4w / Raum 332+49 2461/61-4131
Abhisek KoleGebäude 02.4w / Raum 329+49 2461/61-6977
Janine LorenzGebäude 02.4w / Raum 102+49 2461/61-8984
Tobias WichmannGebäude 02.4w / Raum 122+49 2461/61-2332

Informationen von und über die Nachwuchsgruppe

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Letzte Änderung: 15.07.2024