Zweidimensionale Quantenmaterialien als Lichtfalle

21. Oktober 2025

Foto: Brad Baxley

Stehende Wellen von Terahertz-Licht werden in leitfähigen Schichten einer Van-der-Waals-Heterostruktur eingeschlossen. Selbstresonanzmoden in Graphen (rot) und einem Graphit-Gate (blau) hybridisieren im Bereich ultrastarker Kopplung.

Quantenmaterialien sind eine faszinierende Plattform für Zukunftstechnologien, da sie eine Vielzahl exotischer Phänomene beherbergen, die über den Rahmen der klassischen Physik hinausgehen. Unter ihnen stechen Van-der-Waals-Heterostrukturen hervor: Sie entstehen durch das Übereinanderlegen verschiedener zweidimensionaler Schichten, die nur ein Atom dick sein können. Diese Strukturen lassen sich bemerkenswert leicht manipulieren und bieten eine beispiellose Abstimmbarkeit und ein riesiges Forschungsfeld. Ein Team des Max-Planck-Instituts für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD) und der Columbia University hat herausgefunden, dass Van-der-Waals-Heterostrukturen auf natürliche Weise als Resonatoren für langwelliges Terahertz-Licht (THz) dienen können. Diese Arbeit wurde in Nature Physics veröffentlicht.

Licht ist ein sehr effektives Werkzeug, um die Eigenschaften von Materialien zu untersuchen. Anhand der Lichtdurchlässigkeit eines Materials können Wissenschaftler Rückschlüsse auf die Phase eines Materials, die Anordnung der Elektronen und Atome sowie die Ursachen für diesen Anordnungsprozess ziehen.  Elektrische Geräte aus Van-der-Waals-Heterostrukturen sind in der Regel mikrometergroß – etwa so breit wie ein menschliches Haar. Dies ist zwar vorteilhaft für zukünftige Anwendungen, bei denen kleine, dicht gepackte Schaltkreise wünschenswert sind, erschwert jedoch spektrale Messungen, bei denen ihre Eigenschaften mit Hilfe von niedrigenergetischem Licht untersucht werden. Der Grund dafür ist, dass die relevante Wellenlänge von THz-Licht weit größer ist als die mikrometergroßen Proben. Dies veranlasste das Wissenschaftlerteam, auf der Grundlage der Postdoc-Arbeit von James McIver einen neuen Chip-Schaltkreis zu entwickeln. Dieser begrenzt das Licht auf eine Größe, die kleiner ist als die Wellenlänge des Lichts, und überwindet so die Größenunterschiede zwischen Licht und Material. Mit diesem Chip ist es nun endlich möglich, die Absorption von Licht im THz-Bereich zu messen.

Bei der Messung der Absorption in einer sehr einfachen Struktur, die nur aus zwei aktiven Schichten besteht (eine einzelne Schicht aus Kohlenstoffatomen, Graphen genannt, die einen Parallelplattenkondensator mit einer etwas dickeren Schicht aus Kohlenstoffatomen, Graphit, bildet), erlebte das Team jedoch eine Überraschung. Obwohl Graphen eines der am besten verstandenen Van-der-Waals-Materialien ist, war die Art und Weise, wie Graphen Licht einfängt und mit der Graphitschicht interagiert, nicht zu erwarten. Beide Schichten bilden einen Hohlraum. „Traditionell werden optische Hohlräume durch zwei parallele Spiegel gebildet, die Licht einfangen und es viele Male hin und her reflektieren lassen. Durch das Einbringen eines Materials in einen solchen Hohlraum entstehen starke Wechselwirkungen zwischen dem eingefangenen Licht und dem Material, wodurch oft neue physikalische Phänomene sichtbar werden, die durch diese Vermischung von Licht und Materie entstehen“, erklärt James McIver, Gruppenleiter am MPSD, Principal Investigator des Teams und CUI-Mitglied. „Wir haben festgestellt, dass Van-der-Waals-Heterostrukturen keine externen Spiegel benötigen. Die Ränder der winzigen Proben selbst fungieren als reflektierende Spiegel. Das eröffnet spannende Möglichkeiten, da diese Hohlraumeffekte tatsächlich zur Steuerung der Materialeigenschaften genutzt werden können“, erläutert Hope Bretscher, eine der Hauptautorinnen der Studie, und fügt hinzu: „In unserem neu gebildeten Hohlraum war die Wechselwirkung zwischen den beiden aktiven Schichten im Material so stark, dass sie in den sogenannten ‚ultrastarken Kopplungsbereich‘ eintrat.“

Erforschung neuer Bereiche

Diese Ergebnisse sind aus zwei Gründen sehr spannend. Erstens hat das Team die Möglichkeit geschaffen, spektroskopische Untersuchungen dieser Van-der-Waals-Heterostrukturen auf der Energieskala ihrer emergenten Quantenphasen durchzuführen und damit einen einzigartigen Ansatz zur Untersuchung ihrer Materialeigenschaften eingeführt. Darüber hinaus haben sie gezeigt, dass die extreme Begrenzung des Lichts es grundsätzlich ermöglichen könnte, das Material unter bestimmten Gerätekonfigurationen durch Quantenvakuumfluktuationen zu steuern. Diese Energiefluktuationen treten überall um uns herum auf, sind jedoch im freien Raum sehr schwach und können in der Regel ignoriert werden. Wenn die Kopplung zwischen Licht und Materie so stark erhöht wird, wie es das Team festgestellt hat, können die Quantenmaterialien und die Quantenfluktuationen zusammenwirken.

Gunda Kipp, Mitautorin der Studie, sieht großes Potenzial für zukünftige Experimente: „Wir haben festgestellt, dass die Licht-Materie-Kopplung so stark verstärkt wurde, dass es in Zukunft sogar möglich sein könnte, dass Quantenvakuumfluktuationen die Entstehung neuer Materiezustände ermöglichen.“

Diese Ergebnisse zeigen, wie die Erforschung neuer Bereiche oft zu Beobachtungen mit beeindruckenden Ergebnissen führt. Insbesondere könnte die Verwendung von Licht zur Untersuchung und Steuerung dieser hochgradig abstimmbaren Materialien dazu genutzt werden, elektronische Geräte für eine Reihe von Anwendungen zu entwickeln, von hochempfindlichen Einzelphotonen-Detektoren über neue Supraleiter bis hin zu anderen Möglichkeiten, Computer zu bauen. Die Forschung in diesem Bereich steht erst am Anfang. Text: MPSDS, red.

Originalpublikation

G. Kipp, H. M. Bretscher, B. Schulte, D. Herrmann, K. Kusyak, M. W. Day, S. Kesavan, T. Matsuyama, X. Li, S. M. Langner, J.Hagelstein, F. Sturm, A. M. Potts, C. J. Eckhardt, Y. Huang, K. Watanabe, T. Taniguchi, A. Rubio, D. M. Kennes, M. A. Sentef, E. Baudin, G. Meier, M. H. Michael & J. W. McIver

Cavity electrodynamics of van der Waals heterostructures

Nature Physics (2025)

DOI: 10.1038/s41567-025-03064-8