Neuartiges Quantenmikroskop: Durch Verdrehen in den Fokus

Ein internationales Forschungsteam unter der Leitung von Professor Dmitri Efetov hat ein hochempfindliches Quantenmikroskop entwickelt, mit dem erstmals bei Raumtemperatur die subtilen Interaktionen von Elektronen in Graphen direkt beobachtet werden konnten. Dieser Erfolg ermöglichte die präzise Bestätigung einer jahrzehntealten theoretischen Vorhersage.

Die Arbeit konzentriert sich auf „Moiré-Materialien“ – zweidimensionale Schichtstrukturen wie Graphen, die durch eine leichte Drehversetzung beim Stapeln Interferenzmuster erzeugen. Diese verändern die Elektronenbewegung grundlegend und erschließen neue Quantenphasen wie Supraleitung oder korrelierte Isolationszustände, was Moiré-Systeme zu einer zentralen Plattform für die Festkörperphysik macht.

Bisher war die Untersuchung jedoch durch technische Hürden erschwert, da die Herstellung fester Verdrehungswinkel mit einer Genauigkeit von unter einem Zehntel Grad erfolgen muss und kleinste Verformungen oft die physikalischen Effekte verschleiern.

Die Grenzen der Präzision erweitern

Einen völlig neuen Ansatz bietet das kürzlich entwickelte Quanten-Twist-Mikroskop (QTM), das durch die mechanische Trennung und das Drehen zweidimensionaler Schichten eine kontinuierliche, dynamische Steuerung des Verdrehungswinkels erlaubt und damit herkömmliche Herstellungsbarrieren umgeht. Nachdem das QTM bereits seine Stärke bei der Abbildung elektronischer Bandstrukturen und Moiré-Potenziale bewiesen hat, konnte das Team die Auflösung nun durch eine Tunnelungsschicht aus hexagonalem Bornitrid massiv steigern. Dieser Fortschritt macht selbst feinste Abweichungen vom idealen linearen Energiespektrum des Graphens erkennbar und macht Signaturen von Elektron-Elektron-Wechselwirkungen in den Tunnelungskarten als charakteristische Merkmale sichtbar.

Quantenpräzision bei Raumtemperatur

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.

Quelle

Ludwig-Maximilians-Universität München (03/2026)