Moderne Informations-technologie basiert auf immer leistungsf?higeren und kompakteren Schaltkreisen. Das ultimative Limit ist dabei die atomare L?ngenskala. Neuartige Schichtkristalle, sogenannte ?bergangsmetall-Dichalkogenide, lassen sich auf eine Dicke von nur wenigen Atomdurchmessern ausdünnen und wecken daher gro?e Hoffnungen. {web_name}e Schichten bieten gegenüber konventionellen Halbleitern zudem einen weiteren Freiheitsgrad: Die relative Ausrichtung benachbarter Lagen, auch Stapelwinkel genannt. Durch pr?zises Ausrichten zweier aufeinandergestapelter Kristallschichten k?nnen ganz neue Funktionalit?ten erzeugt werden. So kann eine Doppellage unter einem bestimmten Stapelwinkel in einen supraleitenden Zustand übergehen – der elektrische Widerstand verschwindet komplett – unter anderen Winkeln wird das Material hingegen streng isolierend.
Um derart paradoxes Verhalten zu verstehen, muss man aufkl?ren, wie die geladenen Teilchen innerhalb eines Festk?rpers miteinander interagieren. Regt man beispielsweise ein Elektron durch Absorption von Licht in einem ?bergangsmetall-Dichalkogenid an, so l?sst es auf seinem ursprünglichen Platz eine Fehlstelle, ein sogenanntes Loch, zurück. Elektron und Loch k?nnen ein gebundenes Paar, ein Exziton, bilden. Dabei umkreist das negativ geladene Elektron das positiv geladene Loch, ?hnlich wie ein Elektron im Wasserstoffatom den Kern umkreist. Wie stark Elektron und Loch jedoch hierbei gebunden sind, k?nnte eine ma?gebliche Rolle für ?berg?nge zu supraleitenden oder anderen, noch unentdeckten Phasen spielen.
Regensburger Physiker um Rupert Huber und John Lupton konnten nun in einer Zusammenarbeit mit den Gruppen von Ermin Malic an der Chalmers University in Schweden, sowie von Janina Maultzsch an der Friedrich-Alexander Universit?t Erlangen-Nürnberg, erstmals die Bindungsst?rke von Exzitonen in atomar dünnen Schichtstrukturen bestimmen und diese mittels des Stapelwinkels sogar pr?zise kontrollieren. Hierzu regten sie in Doppellagen von ?bergangsmetall-Dichalkogeniden Elektronen durch ultrakurze Lichtblitze an, wodurch Elektron-Loch-Paare entstehen. W?hrend das Loch bevorzugt in seiner ursprünglichen Lage verbleibt, kann das Elektron zwischen den Lagen hin und her wandern. Mittels des Stapelwinkels kann die Bewegungsfreiheit des Elektrons eingeschr?nkt beziehungsweise erweitert werden. {web_name} erlaubt, die Ausdehnung der Elektron-Loch-Paare und damit die St?rke deren Bindung zu variieren. Die Forscher fanden weiterhin heraus, dass sich auch die Lebensdauer der Exzitonen sowie deren Wechselwirkung untereinander mit Hilfe des Stapelwinkels über einen gro?en Bereich hin ma?schneidern lassen.
Die neuen Erkenntnisse er?ffnen einen qualitativ neuen Weg zur Feinabstimmung elektronischer und optischer Eigenschaften schichtartiger Kristalle. {web_name} k?nnte langfristig ma?geschneiderte elektronische Phasenüberg?nge und eine neue Generation ultimativ kompakter Optoelektronik erm?glichen.
ORIGINALPUBLIKATION:
P. Merkl, F. Mooshammer, S. Brem, A. Girnghuber, K.-Q. Lin, L. Weigl, M. Liebich,
C.-K. Yong, R. Gillen, J. Maultzsch, J. M. Lupton, E. Malic and R. Huber, “Twist-tailoring Coulomb correlations in van der Waals homobilayers”, Nature Communications (2020).
DOI 10.1038/s41467-020-16069-z
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Abbildung: Fabian Mooshammer