Graphen geh?rt inzwischen zu einer gro?en Familie zweidimensionaler (2d) Materialien, die auf Grund ihrer vielseitigen Eigenschaften weltweit zu einer bemerkenswerten Forschungsaktivit?t geführt haben. Zu diesen geh?rt auch das Schwerpunktprogramm SPP2244 der Deutschen Forschungsgemeinschaft mit dem Titel ?2D Materialien – die Physik von van der Waals [Hetero-]Strukturen (2DMP)“, das von der TU Dresden koordiniert wird. ?Das Programm verbindet viele der führenden universit?ren Forschungsgruppen in Deutschland und hat ein Gesamtf?rdervolumen von rund 7 Millionen Euro“, sagt Dr. Christopher Gies vom Institut für Theoretische Physik der Universit?t Bremen. ?Die Universit?t Bremen ist in SPP2244 gleich mit drei Projekten und einem F?rdervolumen von etwa 650.000 Euro vertreten.“ Benannt sind die untersuchten Materialien nach dem niederl?ndischen Physiker Johannes Diderik van der Waals, der einst unter anderem unter anderem das Verhalten von Molekülen erforscht und 1910 den Nobelpreis für Physik erhalten hatte.
Dass die Bremer Uni in dem ambitionierten Forschungsprogramm so nachhaltig pr?sent ist, liegt laut Gies auch an der hohen Expertise, die in den vergangenen Jahren im Rahmen der Bremer Graduiertenschule ?Quantum Mechanical Materials Modelling - QM3“ erarbeitet wurde. Die Graduiertenschule besch?ftigt sich seit viereinhalb Jahren intensiv mit der Modellentwicklung für die computergestützte Simulation neuartiger Quantenmaterialien.
Heterostrukturen von 2d Materialien im Fokus
In dem DFG-Schwerpunktprogramm der DFG stehen insbesondere Heterostrukturen von 2d Materialien im Mittelpunkt. Aufgrund der schwachen Bindung zwischen den einzelnen Lagen im Kristall lassen sich atomar dünne Schichten einfach l?sen und in vielf?ltigen Kombinationen auch wieder aufeinanderstapeln. Dieses Baukastensystem erm?glicht Materialdesign auf der Quantenebene: Forscher k?nnen elektronische und optische Eigenschaften einstellen und manipulieren und damit Materialien für neuartige Anwendungen und Grundlagenforschung erschaffen.
Von gro?em Interesse gerade für die Bremer Forscher sind Anwendungen in der Optik und die Erforschung stark korrelierter Elektronenzust?nde. Hierbei geht es im ersten Fall um Materialien, die Licht ganz gezielter Farbe aussenden k?nnen, dabei aber extrem sensitiv auf ihre direkte Umgebung (beispielsweise die Gegenwart bestimmter Stoffe in der Luft) und auf Verspannung regieren. ?Diese Eigenschaften lassen sich beispielsweise für LEDs und Mikrolaser nutzen, die auf Chips integriert werden, oder für neuartige optische Sensoren“, erl?utert der Physiker Gies. Starke Korrelationen zwischen Elektronen spielen eine bedeutende Rolle für die Erforschung von Supraleitung, einer besonderen Form elektrischer Leitf?higkeit, in der Strom v?llig verlustfrei transportiert werden kann.
Worum geht es in den Bremer Projekten?
Im Vorhaben von Dr. Christopher Gies steht die Wechselwirkung von Licht mit Elektronen in Heterostrukturen von halbleitenden 2d Materialien im Mittelpunkt. Stapelt man einzelne Atomlagen sogenannter ?bergangsmetalldichalkogenide (dies sind beispielsweise Materialien wie MoSe2 oder WSe2), erzeugt man eine sogenannte Typ-II Heterostruktur, in der sich durch Lichteinstrahlung angeregte Elektronen trennen und in die beiden Lagen verteilen. Aufgrund starker Wechselwirkung sind die Ladungstr?ger dennoch gebunden. Sie bilden somit eine Einheit, die Forscher als Interlagen-Exzitonen (IX) bezeichnen.
Weil die Bestandteile der IX r?umlich voneinander getrennt sind, sind diese besonders langlebig und erm?glichen die Erforschung von Korrelationseffekten, wie Bose-Einstein Kondensation und Superradianz. Das Erzeugen dieser besonderen Materieformen soll durch das Einbetten der Heterostruktur in optische Kavit?ten weiter begünstigt werden. Optische Kavit?ten kennt man beispielsweise von Lasern. Sie dienen dem Einschluss von Licht und sollen hier die Wechselwirkung der Exzitonen mit Licht so weit verst?rken, das neue Quasiteilchen entstehen – also Teilchen, die die Eigenschaften beider Spezies, der IX und Lichtquanten, in sich vereinen.
Komplexe Quantenph?nomene in Nanomaterialien
Das Projekt von Dr. Alexander Steinhoff fokussiert sich auf Heterostrukturen aus halbleitenden ?bergangsmetalldichalkogeniden. Diese bieten aufgrund extrem starker Teilchen-Teilchen-Wechselwirkung und der kontrollierbaren Ausbildung besonderer r?umlicher Strukturen (sogenannte Moiré-Gitter) eine einzigartige Plattform für Studien komplexer Quantenph?nomene in Nanomaterialien. Das Forschungsvorhaben hat zum Ziel, diese bemerkenswerten Eigenschaften für Untersuchungen von Gasen aus quantenmechanischen Teilchen zu nutzen. Der Fokus wird dabei auf bisher unerforschten Vielteilchenzust?nden liegen, die über das konventionelle Bild sogenannter Interlagen-Exzitonen (gebundener Zust?nde aus positiven und negativen Teilchen, die sich in jeweils unterschiedlichen Lagen befinden) weit hinausgehen und in die Bereiche dichter Fermi-Bose-Gemische sowie zunehmend exotischer Phasen der Fermi-Flüssigkeiten und korrelierter Elektron-Loch-Plasmen vordringen.
Zusammenspiel von Wechselwirkungen verstehen und kontrollieren
Das von Professor Tim Wehling durchgeführte Projekt untersucht, wie sich das kollektive quantenmechanische Verhalten von Elektronen in aus Moiré-Gittern bestehenden 2d Materialien kontrollieren l?sst. Insbesondere die Familie der halbleitenden TMDCs – wie MoS2, WS2, MoS2, WSe2 – bildet hierbei eine vielversprechende Materialplattform. In entsprechenden [Hetero-]Strukturen wird ein komplexes und neuartiges Zusammenspiel von Elektron-Elektron- und Elektron-Phonon-Wechselwirkungen mit Minib?ndern, starker Spin-Bahn-Kopplung und Multivalley-Effekten erwartet. Abh?ngig von der Materialkombination, dem Verdrehungswinkel und der Dotierung sollten hier starke Elektronenkorrelationen realisierbar sein, die diese Systeme in Mott-isolierende, supraleitende, magnetische, exzitonische oder andere (quasi)geordnete Zust?nde mit verwobenen Spin-, Valley- und Bandfreiheitsgraden treiben k?nnten. ?Unser Ziel ist es, das Zusammenspiel der oben genannten Freiheitsgrade und Wechselwirkungen zu verstehen“, so Tim Wehling.
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Projekt Gies: https://2dmp.tu-dresden.de/projects/gies-schneider-reitzenstein/
Projekt Steinhoff: https://2dmp.tu-dresden.de/projects/steinhofflist-chernikov-hoegele/
Projekt Wehling: https://2dmp.tu-dresden.de/projects/wehling-wurstbauer/
www.uni-bremen.de
Fragen beantworten:
Dr. Christopher Gies
Tel. 0421/218-62052
E-Mail: giesprotect me ?!itp.uni-bremenprotect me ?!.de
Dr. Alexander Steinhoff
Tel. 0421/218-62047
E-Mail: asteinhoffprotect me ?!itp.uni-bremenprotect me ?!.de
Prof. Dr. Tim O. Wehling
Tel. 0421/218-62039
E-Mail: twehlingprotect me ?!uni-bremenprotect me ?!.de
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Institut für Theoretische Physik (ITP)
