Quantengase in Moiré-geordneten und rekonstruierten Heterostrukturen: Effektive Dimensionalitäten, Hybridzustände und Wechselwirkungen

• Antragsteller: Professor Dr. Alexey Chernikov; Professor Dr. Alexander Högele; Dr. Alexander Steinhoff-List
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 443405595

Van der Waals Heterostrukturen aus verdrehten oder gitterfehlangepassten zweidimensionalen Übergangsmetall-Dichalkogeniden haben sich als vielseitige Plattformen für optische Untersuchungen von Vielteilchenphänomenen und korrelierter Elektronenphysik etabliert. Diese Phänomene sind empfindlich auf spezifische Materialkonfigurationen wie Gitterkonstanten und Drehwinkel, die zur Ausbildung von Moiré-Übergittern oder lokal und mesoskopisch rekonstruierten Domänen führen. Das hohe Maß an Durchstimmbarkeit der elektronischen Vielteilchenzustände erfordert ein genaues Verständnis der zugrunde liegenden elementaren Prozesse. Das Hauptziel des Projekts besteht darin, ein umfassendes Verständnis der Vielteilchenphysik in halbleitenden van der Waals Heterostrukturen und damit ihrer optischen Phänomenologie in linearen und nichtlinearen Regimen zu erarbeiten. Dazu wird ein breites Spektrum an Dichtebedingungen für bosonische und fermionische Quasiteilchen wie Exzitonen, Elektron-Loch-Plasmen und deren Mischungen untersucht. Konkret zielt das Projekt darauf ab, die Auswirkungen der Dimensionalität von effektiv zweidimensionalen, eindimensionalen und nulldimensionalen Bereichen in rekonstruierten Heterostrukturen auf die Dynamik und den Transport optischer Anregungen zu verstehen. Hierbei wird eine einheitliche Materialplattform für alle relevanten Lokalisationsregimes von niedrigen bis hin zu hohen Dichten verwendet. Darüber hinaus werden wir hybride, wechselwirkende Moiré-Exzitonen erzeugen und kontrollieren, indem wir starke Exziton-Exziton und Exziton-Photon Wechselwirkungen für durchstimmbare dipolare Polaronen kombinieren. Schließlich werden experimentelle und theoretische Ansätze entwickelt um sowohl die Stärke als auch das Vorzeichen der Exziton-Exziton-Wechselwirkungen von abstoßend bis anziehend zu manipulieren. Dazu wird auch die Grenze zwischen reinen Bose- und Fermi-Gasen ausgelotet, um die Formierung verschiedener Vielteilchenphasen zu beeinflussen. Diese Ziele werden mit modernsten Probenherstellungstechniken sowie fortschrittlichen experimentellen und theoretischen Methoden verfolgt, wozu hyperspektrale und magneto-spektroskopische Verfahren, ultraschnelle transiente Mikroskopie und strukturelle Charakterisierung sowie mikroskopische Vielteilchentheorie elektronischer und optischer Eigenschaften bis hin zu hohen Dichten gehören. Letztlich soll das Projekt aktuelle Fragen in einem schnell expandierenden Forschungsfeld beantworten und wesentliche wissenschaftliche und technologische Fortschritte im Bereich zweidimensionaler Van der Waals Heterostrukturen ermöglichen.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2244: 2D Materialien – die Physik von van der Waals [Hetero-]Strukturen (2DMP)