Durchstimmbare Twistronics: Lokales Tuning und lokale Detektion topologischer Randzustände und Supraleitung in Zweilagigen-Graphen

• Antragsteller: Professor Dr. Christoph Stampfer
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 437214324

Die Untersuchung von Grenzflächen zwischen zwei verschieden korrelierten elektronischen Systemen stellt eine der grundlegendsten und technologisch anspruchsvollsten Herausforderungen für zukünftige Anwendungen in der Quantentechnologie dar. In dieser Hinsicht erweist sich das verdrehte zweilagige Graphen (engl. twisted bilayer graphene, tBLG) als ideales Material, da es je nach präzise einzustellenden Verdrehwinkeln zwischen den einzelnen Schichten Supraleitung und topologische Randzustände (neben anderen elektronischen Phasen) zeigen kann. Um diese sehr komplexen Strukturen zu erreichen, ist es jedoch notwendig, zunächst ihren physikalischen Ursprung zu verstehen und zu untersuchen, wie wir sie kontrollieren können. In diesem Zusammenhang ist das allgemeine Ziel von TATTOOS, ein theoretisches und experimentelles Verständnis des physikalischen Ursprungs sowohl des supraleitenden Zustands als auch der Existenz topologisch geschützter Kanäle zu liefern, mit dem Ziel, saubere Übergänge zwischen zwei verschieden korrelierten elektronischen Systemen zu ermöglichen. In einem ersten Schwerpunkt schlagen wir vor, die Abhängigkeit dieser Zustände vom Verdrehwinkel zwischen den Schichten zu untersuchen und die Änderung ihrer Transporteigenschaften bis in den Nanometerbereich durch die Veränderung des Verdrehwinkels zu bestimmen. Dies ist mit zwei verschiedenen Techniken der Rastersondenmikroskopie geplant. Die erste ermöglicht eine in-situ mechanische Änderung des Verdrehwinkels zwischen den Graphenschichten in einer elektrisch kontaktierten Anordnung durch Ausüben einer Querkraft auf die oberste Schicht. Die zweite, die Scanning-Gate-Mikroskopie, wird verwendet, um den Elektronentransport bei niedrige Temperaturen abzubilden. Durch die Kombination der experimentellen Daten mit numerischen Simulationen des Transports in realistischen tBLG-Bauelementen sollen grundlegende Fragen wie der physikalische Ursprung der Supraleitung und der topologisch geschützten Kanäle sowie ihre räumliche Homogenität und Robustheit gegenüber lokalen Variationen der elektrostatischen oder magnetischen Umgebung untersucht werden. In einem zweiten Themenschwerpunkt schlagen wir vor, "all-tBLG"-Verbindungen zwischen einem Supraleiter und verschiedenen anderen Phasen herzustellen, bei denen auch topologisch geschützte 1D-Kanäle realisiert werden sollen. Dies soll durch das Stapeln von zwei Graphen-Schichten erfolgen, die durch chemische Gasphasendeposition (CVD) gewachsen werden. Während die eine Schicht eine einzige Korngrenze besitzen soll, die durch das Zusammenwachsen zweier Kristalle realisiert wird, soll die andere Schicht einkristallin sein. Durch die geeignete Auswahl der Ausrichtung beider Graphen-Kristalle entlang der Korngrenze soll ein Verdrehwinkel der oberen Schicht erreicht werden, der es ermöglicht, beispielsweise einen supraleitenden Zustand auf der einen Seite und topologisch geschützte Kanäle auf der anderen Seite der Korngrenze zu erhalten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Belgien, Frankreich
• Mitverantwortlich: Dr. Bernd Beschoten
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Professor Dr. Benoit Hackens; Professorin Dr. Rebeca Ribeiro-Palau