02.11.2021 - ICFO – The Institute of Photonic Sciences

Verdrilltes zweischichtiges Graphen tanzt mit Licht

Ein bemerkenswertes nanophotonisches Material

Wenn zwei Graphenschichten übereinander gelegt und um einen sehr kleinen Winkel verdreht werden, entsteht ein "Moiré-Muster", und die physikalischen Eigenschaften des Systems ändern sich nachweislich drastisch. Insbesondere in der Nähe des "magischen" Winkels von 1 Grad verlangsamen sich die Elektronen dramatisch, was Wechselwirkungen zwischen den Elektronen begünstigt. Diese Wechselwirkungen führen zu einer neuen Art von Supraleitfähigkeit und isolierenden Phasen in verdrilltem zweischichtigem Graphen. Zusammen mit vielen anderen faszinierenden Eigenschaften, die in den letzten drei Jahren entdeckt wurden, hat dieses Material bewiesen, dass es äußerst reichhaltige physikalische Phänomene aufweist, vor allem aber hat es sich als leicht kontrollierbares Quantenmaterial erwiesen. Obwohl dieses aus Kohlenstoff hergestellte Material diese erstaunlich vielfältigen Zustände aufweist, hat sich gezeigt, dass die Wechselwirkung zwischen verdrilltem zweischichtigem Graphen und Licht auf theoretischer Ebene faszinierende Ergebnisse hat, aber kein Experiment konnte bisher eindeutig zeigen, wie diese Wechselwirkung funktioniert.

In einer kürzlich in Nature Physics veröffentlichten Arbeit haben die ICFO-Forscher Niels Hesp, Iacopo Torre, David Barcons-Ruiz und Hanan Herzig Sheinfux unter der Leitung von ICREA-Professor Frank Koppens in Zusammenarbeit mit den Forschergruppen von Prof. Pablo Jarillo-Herrero (MIT), Prof. Marco Polini (Universität Pisa), Prof. Efthimios Kaxiras (Harvard), Prof. Dmitri Efetov (ICFO) und NIMS (Japan) haben herausgefunden, dass verdrilltes zweischichtiges Graphen verwendet werden kann, um Licht im Nanometerbereich zu lenken und zu kontrollieren. Dies ist dank der Wechselwirkung zwischen Licht und der kollektiven Bewegung der Elektronen in dem Material möglich.

Unter Ausnutzung der Eigenschaften von Plasmonen, bei denen sich Elektronen und Licht gemeinsam als eine kohärente Welle bewegen, konnten die Wissenschaftler beobachten, dass sich Plasmonen im Material ausbreiten und dabei stark auf das Material beschränkt sind, und zwar bis in den Nanobereich. Durch die Beobachtung der ungewöhnlichen kollektiven optischen Phänomene, die in dem Material auftreten, konnten sie außerdem die besonderen Eigenschaften der Elektronen verstehen. Diese Beobachtung von sich ausbreitendem Licht, das auf die Nanoskala beschränkt ist, kann als Plattform für die optische Erkennung von Gasen und Biomolekülen genutzt werden.

Um die Ergebnisse dieser Entdeckung zu erhalten, verwendete das Team ein Nahfeldmikroskop, mit dem die optischen Eigenschaften mit einer räumlichen Auflösung von 20 Nanometern untersucht werden können, eine Auflösung, die über die Beugungsgrenze hinausgeht. Kurz gesagt, die Wissenschaftler nahmen zwei Graphenschichten, legten sie übereinander, verdrehten sie nahe dem magischen Winkel und beleuchteten das Material dann bei Raumtemperatur mit Infrarotlicht auf einem nanogroßen Punkt. Sie stellten fest, dass sich die Plasmonen ganz anders verhielten als die üblichen Plasmonen, z. B. in Metallen oder Graphen, und dass diese Abweichung mit der besonderen Bewegung der Elektronen innerhalb des Moiré-Übergitters des zweischichtigen Graphens zusammenhängt.

Diese Arbeit legt den Grundstein für nano-optische Studien über die exotischen Phasen von verdrilltem zweischichtigem Graphen bei niedrigen Temperaturen. Sie zeigt insbesondere, dass verdrilltes zweischichtiges Graphen ein bemerkenswertes nanophotonisches Material ist, zumal es als intrinsischer (keine externe Spannung ist erforderlich) Wirt für kollektive Anregungen dient.

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