„loquet-Effekte“ in Graphen hat ein Forschungsteam kürzlich nachgewiesen. Das ebnet den Weg für eine zielgenaue Anwendung.
Graphen ist ein außergewöhnliches Material: Es ist nur eine Atomlage dick, aber extrem leitfähig und stabil.Deshalb kommt es in vielen Bereichen zum Einsatz wie etwa in flexiblen Displays, hochempfindlichen Sensoren, leistungsstarken Batterien und effizienten Solarzellen.
Eine neue Studie hebt das Potenzial nun noch auf ein neues Level: Zum ersten Mal hat ein Forschungsteam der Universität Göttingen, dem auch der – jetzt nach Marburg berufene – Physikprofessor Dr. Marcel Reutzel angehörte, gezeigt, wie in Graphen sogenannte „Floquet-Effekte“ entstehen. Das belegt, was bislang umstritten war: Floquet-Engineering – eine Methode, bei der die Eigenschaften eines Materials durch Lichtpulse gezielt verändert werden.
Das funktioniert auch in metallischen und halbmetallischen Quantenmaterialien wie Graphen. Unterstützt wurde die Studie von Forschenden aus Bremen, Braunschweig und der Schweiz. Sie ist in der Fachzeitschrift „Nature Physics“ erschienen.
Um Floquet-Zustände in Graphen experimentell zu untersuchen, nutzten die Forschenden Femtosekunden-Impulsmikroskopie. Dabei werden die Proben zunächst mit schnellen Lichtblitzen angeregt und dann mit einem verzögerten Lichtpuls untersucht, um dynamische Prozesse im Material zu verfolgen. „Unsere Messungen beweisen eindeutig, dass sogenannte Floquet-Seitenbänder im Photoemissionsspektrum von Graphen auftreten“, erklärte Prof. Dr. Marco Merboldt dazu. Der Physiker an der Universität Göttingen ist Erstautor der Studie.
Damit sei klar: „Floquet-Engineering funktioniert tatsächlich in diesen Systemen; und das Potenzial ist riesig.“ Die Studie zeigt, dass Floquet-Engineering in vielen Materialien funktioniert. Das bringt die Forschung dem Ziel näher, Quantenmaterialien mit definierten Eigenschaften gezielt zu beeinflussen – und das mit Laserpulsen in extrem kurzer Zeit!
Materialien auf diese Weise für bestimmte Anwendungen maßzuschneidern, kann die Grundlage für die Elektronik, Computertechnik oder Sensorik der Zukunft bilden. Der Marburger Physikprofessor Dr. Marcel Reutzel, der die vormaligen Untersuchungen in Göttingen zusammen mit Prof. Dr. Stefan Mathias geleitet hat, sagte: „Unsere Ergebnisse eröffnen neue Wege, elektronische Zustände in Quantenmaterialien mit Licht zu steuern. Das kann zu Technologien führen, bei denen Elektronen gezielt und kontrolliert manipuliert werden.“
In Reutzels neuer Marburger Forschungsgruppe „Ultraschnelle und kohärente Phänomene“ sollen künftig derartige Strategien weiterentwickelt werden. „Besonders spannend ist, dass wir so auch topologische Materialphasen mit Licht kontrollieren können“, ergänzte Reutzel. „Diese Phasen sind sehr speziell und äußerst stabil. Damit könnten die lichtgesteuerten Phasen wichtig für robuste Quantencomputer oder neue Sensoren werden.“ Die Forschung wurde vom Göttinger Sonderforschungsbereich SFB 1073 „Kontrolle von Energiewandlung auf atomaren Skalen“ finanziell unterstützt, der von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert wird.
* pm: Philipps-Universität Marburg