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Ein Team um LMU-Physiker Dmitri Efetov hat ein hochempfindliches Gerät entwickelt, das verborgene Elektronwechselwirkungen in Graphen bei Raumtemperatur direkt beobachten kann.
Ein internationales Forschungsteam unter der Leitung von Dmitri Efetov, Professor für Experimentelle Festkörperphysik an der Fakultät für Physik der LMU München und MCQST-Koordinator für den Forschungsbereich Quantenmaterie, hat ein neuartiges, hochempfindliches Quantenmikroskop gebaut. Damit konnte es erstmals bei Raumtemperatur direkt beobachten, wie Elektronen in Graphen auf subtile Weise miteinander interagieren. Das Team konnte so eine jahrzehntealte theoretische Vorhersage mit bemerkenswerter Präzision bestätigen.
In den letzten Jahren haben sich „Moiré-Materialien“ – atomar dünne, zweidimensionale Schichtstrukturen wie Graphen – zu einem der spannendsten Forschungsgebiete in der Festkörperphysik entwickelt. Durch das Stapeln dieser atomaren Schichten mit einer leichten Drehversetzung erzeugen Forschende Interferenzmuster, die die Bewegung der Elektronen grundlegend verändern. Diese einfache Verdrehung kann völlig neue Quantenphasen erschließen, darunter Supraleitung und korrelierte Isolationszustände. Dadurch werden Moiré-Systeme zu einer leistungsstarken Plattform für die Erforschung neu auftretender physikalischer Phänomene.
Die Untersuchung dieser Systeme war jedoch bislang mit erheblichen technischen Hürden verbunden. Bei der Herstellung von herkömmlichen Geräten ist äußerste Präzision erforderlich. Die Geräte werden mit festen Verdrehungswinkeln konstruiert, die oft mit einer Genauigkeit von weniger als einem Zehntel Grad eingestellt werden müssen. Selbst dann können Unvollkommenheiten wie Verformungen und Unordnung die zugrunde liegende Physik verschleiern.
Die Grenzen der Präzision erweitern
Das kürzlich von Forschenden am Weizmann-Institut entwickelte Quanten-Twist-Mikroskop (QTM) bietet einen völlig neuen Ansatz. Durch die mechanische Trennung zweidimensionaler Schichten und deren Drehung an Ort und Stelle ermöglicht es eine kontinuierliche, dynamische Steuerung des Verdrehungswinkels und umgeht damit die Einschränkungen herkömmlicher Herstellungsverfahren.
Das QTM hat bereits seine Fähigkeit unter Beweis gestellt, elektronische Bandstrukturen direkt abzubilden, Phononen zu untersuchen und Moiré-Potenziale sichtbar zu machen. In dieser neuen Studie verbessert das Team der LMU München – weltweit erst die zweite Gruppe, die das QTM realisiert hat – die Auflösung des Instruments erheblich, indem es eine Tunnelungsschicht aus hexagonalem Bornitrid einbaut. Dieser Fortschritt ermöglicht es, feine Abweichungen vom idealen linearen Energiespektrum von Graphen zu erkennen. In den Tunnelungskarten sind Signaturen von Elektron-Elektron-Wechselwirkungen als charakteristische Merkmale sichtbar.
Bemerkenswert ist, dass diese Wechselwirkungseffekte bei Raumtemperatur beobachtet wurden – in einem Temperaturbereich, in dem solche feinen Quantenkorrekturen normalerweise durch thermisches Rauschen überlagert werden. Die Ergebnisse bestätigen nicht nur das Fortbestehen starker Elektronenwechselwirkungen in Graphen, sondern demonstrieren auch die außergewöhnliche Empfindlichkeit und Präzision der QTM-Plattform. Dank dynamischer Twist-Steuerung und beispielloser Auflösung ist die Technik auf dem besten Weg, ein grundlegendes Werkzeug für die Erforschung komplexer Quantenzustände in Moiré- und anderen zweidimensionalen Materialsystemen zu werden.
Prof. Dr. Dmitri K. Efetov
Lehrstuhl für Experimentelle Festkörperphysik
Fakultät für Physik / LMU
Email: dmitri.efetov@lmu.de
Tel: +49 89 2180-3738
M. Lee, I. Das, J. Herzog-Arbeitman, J. Papp, J. Li, M. Daschner, Z. Zhou, M. Bhatt, M. Currle, J. Yu, Y. Jiang, M. Becherer, R. Mittermeier, P. Altpeter, C. Obermayer, H. Lorenz, G. Chavez, B. T. Le, J. Williams, K. Watanabe, T. Taniguchi, B. A. Bernevig, Dmitri K. Efetov. Revealing Electron–Electron Interactions in Graphene at Room Temperature with a Quantum Twisting Microscope. In: Nano Letters. 2026
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.5c05015
Criteria of this press release:
Journalists
Materials sciences, Physics / astronomy
transregional, national
Research results, Transfer of Science or Research
German
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