Moiré-Gitter in Raum und Zeit: Quantenmaterie konstruieren

• Antragsteller: Dr. Urban Seifert
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 544397233

Moiré-Gitter entstehen als Interferenzmuster, wenn zwei periodische Gitter mit einer leichten Verdrehung oder unterschiedlichen Gitterkonstanten überlagert werden. Die Einheitszellen dieser Moiré-Gitter können dabei um Größenordnungen größer sein als in konventionellen Festkörpern, und typischerweise sind elektronische Energie-Skalen stark reduziert. Neue Experimente mit Moiré-Heterostrukturen aus einzelnen Lagen von Graphen oder Übergangsmetall-Dichalkogenid-Halbleitern (TMD) zeigen eindrucksvoll, dass solche Systeme vielseitige Plattformen zur aktiven Konstruktion (statt Entdeckung) von Quantenmaterie sind, und dabei einen hohen Grad an experimenteller Kontrolle und Manipulierbarkeit bieten. Gleichzeitig bedeuten große Längenskalen und reduzierte Energieskalen, dass moderate Feldstärken hinreichend sind, um starke Licht-Materie-Kopplungen zu erreichen. Somit bieten getriebene Moiré-Heterostrukturen hervorragende Gelegenheiten, um die Nicht-Gleichgewichtsphysik von stark korrelierten Elektronen zu untersuchen. Insbesondere könnten durch starkes Treiben gezielt neuartige transiente Zustände mit gewünschten Eigenschaften stabilisiert werden. Es ist das zentrale Ziel dieses Projekts, neue Gelegenheiten zur Realisierung und Kontrolle von Quantematerie in Moiré-Gittern theoretisch zu erschließen. Wir werden sowohl Heterostrukturen im Gleichgewicht, als auch getriebene Systeme untersuchen. Das vorliegende Projekt ist somit in zwei Linien organisiert: A. Raum – Wir werden Moiré-Heterostrukturen von intrinsisch korrelierten Lagen untersuchen, insbesondere von Magnet-Supraleiter-Systemen, und von stark fluktuierenden Quantenmagneten. Diese stehen im Kontrast zu Heterostrukturen von schwach-wechselwirkenden Graphen/TMD-Lagen, und erfordern somit neue theoretische Beschreibungen. Ein besonderes Augenmerk wird auf gaplosen (und fraktionalisierten) Moden liegen, die an Moiré-induzierten Domänwänden auftreten könnten. B. Zeit – In dieser Forschungslinie werden wir getriebene Moiré-TMD-Systeme untersuchen. Dies beinhaltet die Modellierung von Pump-Probe-Spektroskopie von kollektiven Anregungen in geordneten Zuständen. Wir werden untersuchen, wie Quantenspinflüssigkeiten durch das (u.a. auch multispektrale) Treiben von emergenten Mott-Isolatoren in Moiré-TMD-Heterostrukturen mit Lasern dynamisch stabilisiert werden können, wobei wir Aufheiz- und Dissipationsprozesse quantitativ modellieren. Wir werden außerdem komplett neue Möglichkeiten erforschen, Moiré-Heterostrukturen auf mechanischem Weg zu treiben und zu kontrollieren. Das durchzuführende Projekt bietet somit einen vereinheitlichten Zugang zur Physik von Moiré-Gittern in Raum und Zeit, und sich daraus ergebende neue Möglichkeiten zur Realisation und Kontrolle von Quantenmaterie.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen