18.01.2021 - Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie

Bahnbrechende Methode bildet die Interaktionen zwischen atomar dünnen Schichten ab

Wenn zwei atomar dünne Schichten eines Materials aufeinandergestapelt und leicht verdreht werden, können sie radikal unterschiedliche Eigenschaften entwickeln. Manche werden supraleitend, andere nehmen sogar magnetische oder elektronische Eigenschaften durch die Wechselwirkung der beiden Schichten an. Wissenschaftler wollen herausfinden, was genau in diesen ultradünnen Doppelschichten geschieht - und wie sich diese Veränderungen induzieren und einstellen lassen. Ein Forschungsteam aus den USA und Deutschland hat nun eine bahnbrechende Methode entwickelt, um diese Wechselwirkung abzubilden. Die Arbeit zu ihrem neuen Konzept, der "Moiré-Metrologie", ist in Nature Communications erschienen.

Die zwei Schichten eines gestapelten und verdrehten Materials bilden eine großflächige periodische Struktur, eine sogenannte Moiré-Interferenz. Die Forscher der Columbia und Harvard Universities in den USA sowie dem MPSD und der RWTH Aachen in Deutschland untersuchten die atomare Landschaft und die subtilen Eigenschaften solcher Moiré-Interferenzen, um so das Verständnis dieser Systeme zu vertiefen.

Die Moiré-Metrologie kombiniert experimentelle und theoretische Ansätze zur Erforschung solcher atomar dünnen Strukturen. Das Team wendete die Methode auf drei repräsentative verdrehte Systeme an: Zweischichtiges Graphen, doppeltes zweischichtiges Graphen und H-gestapeltes MoSe2/WSe2. Mithilfe von diversen bildgebenden Verfahren und detaillierten Modellierungen entschlüsselten die Forscher die im Moiré-Interferenz eingeprägte Materialinformation und gewannen Informationen über die Wechselwirkung zwischen den Schichten, die mit anderen Mitteln bislang nicht zu erreichen waren. Die Moiré-Metrologie ist jedoch nicht auf ein bestimmtes Materialsystem beschränkt, sondern kann im gesamten Bereich der verdrehten Doppelschichtstrukturen eingesetzt werden.

Das Herzstück der Moiré-Metrologie ist der Begriff der Relaxation. Wenn zwei atomare Schichten übereinandergelegt werden, bleiben sie nicht starr liegen. Vielmehr verhalten sie sich wie verformbare Membranen. Sie dehnen und stauchen sich auf der Suche nach stabilen Konfigurationen, basierend auf der Wechselwirkung zwischen den Schichten. Die Autoren dieser Studie demonstrieren, dass die Information über die Wechselwirkung in den feinen räumlichen Mustern eingeprägt ist, die nach der atomaren Relaxation entstehen. Sie zeigen, wie diese Information für die untersuchten Fälle extrahiert werden kann und beschreiben die Einschränkungen, die die zukünftige Modellierung dieser Systeme beeinflussen werden.

Die Moiré-Metrologie eröffnet den Zugang zu einer bisher unerreichten Präzision, um die geometrischen Interferenzmusters der Gitter der beiden Schichten verstehen. Diese Idee ähnelt der Interferenz von Licht, bei der winzige Veränderungen zwischen zwei Pfaden durch die Untersuchung des Interferenzmusters aufgelöst werden (wie es zum Beispiel beim LIGO-Experiment in bemerkenswerter Weise gelang). Bei der Moiré-Metrologie werden subatomare Verschiebungen der atomaren Position auf ein messbares, großräumiges Muster projiziert.

Zusätzlich zu den theoretischen Implikationen entwickelte das Team auch Relaxationssimulationswerkzeuge als Grundlage für die Modellierung und das Design von ungleichmäßigen Dehnungsfeldern in realistischen Systemen. Sie zeigen eine bemerkenswerte Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen.

Die experimentellen Messungen und die theoretische Modellierung wurden von Wissenschaftlern der Columbia University mit theoretischer Unterstützung des MPSD Hamburg, der RWTH Aachen und Harvard entwickelt und durchgeführt.

Fakten, Hintergründe, Dossiers
  • Relaxation
  • Interferenz
  • Metrologie
Mehr über Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie
Mehr über Columbia University
Mehr über Harvard University
  • News

    Ultrakaltes Rätsel gelöst

    In einer berühmten Parabel begegnen drei blinde Männer zum ersten Mal einem Elefanten. Jeder berührt einen Teil - den Rüssel, das Ohr oder die Seite - und schließt daraus, dass das Wesen eine dicke Schlange, ein Fächer oder eine Wand ist. Dieser Elefant, sagte Kang-Kuen Ni, ist wie die Quan ... mehr

    Die kälteste chemische Reaktion

    Die kälteste chemische Reaktion im bekannten Universum fand in einem scheinbar chaotischen Durcheinander von Lasern statt. Der Schein trügt: Tief in diesem akribisch organisierten Chaos, bei Temperaturen, die Millionen Mal kälter sind als der interstellare Raum, erreichte Kang-Kuen Ni eine ... mehr

    Künstliche Intelligenz löst Rätsel der Physik der Kondensierten Materie

    Für einige Phänomene der Quanten-Vielteilchenphysik gibt es mehrere Theorien. Doch welche Theorie beschreibt ein quantenphysikalisches Phänomen am besten? Ein Team von Forschern der Technischen Universität München (TUM) und der amerikanischen Harvard University nutzt nun erfolgreich künstli ... mehr

Mehr über RWTH
  • News

    Magnetfeld erzeugt LCD-ähnlichen nematischen Zustand in chiralem Supraleiter

    Forscher des Max-Planck-Instituts für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD) in Hamburg und der RWTH Aachen haben eine überraschende Verbindung zwischen dem nematischen Verhalten eines Supraleiters in einem Magnetfeld - einem Zustand, der LCD-Flüssigkristallen ähnelt - und seinem chiralen ... mehr

    Klimafreundliche Carbonsäuren

    Forscher des Kopernikus-Projekts SynErgie haben ein Verfahren entwickelt, mit dessen Hilfe sich Carbonsäuren effizient und ohne fossile Rohstoffe herstellen lassen. Aus der Industrie ist der Einsatz von Carbonsäuren nicht wegzudenken: Sie sind Bestandteil von Gummis, Kunststoffen und Lacken ... mehr

    Graphen liefert die Basis für den kleinsten Beschleunigungssensor der Welt

    Mit der Entwicklung des weltweit kleinsten Beschleunigungssensors könnte ein in Schweden und Deutschland angesiedeltes Team von Wissenschaftlern einen Durchbruch in der Sensor- und Navigationstechnologie erzielt haben. Dafür nutzen sie die herausragenden mechanischen und leitenden Eigenscha ... mehr