Der magische Winkel

Graphen ist ein extrem vielseitiges Material. Die Vielseitigkeit basiert auch auf den ungewöhnlichen Eigenschaften seiner Bestandteile. So wirken seine niederenergetischen Elektronen als sogenannte masselose Dirac-Fermionen und bewegen sich in einer isolierten, einlagigen Graphenschicht mit sehr hoher Geschwindigkeit. Werden jedoch zwei Graphenlagen in einem „magischen Winkel“ von 1,1 Grad übereinander verdreht, verlangsamen sich die Elektronen, sie kriechen quasi und reagieren dann kollektiv. Die verdrehten Schichten sind dann supraleitend und weisen eine schillernde Vielfalt weiterer korrelierter Zustände auf. Ursache sind die stark wechselwirkenden Elektronen. Auch aufgrund solcher Effekte hat sich Graphen zu einem der faszinierendsten Materialien in der Physik der kondensierten Materie entwickelt.

Mechanisch lässt sich das Schichtsystem weiter verbessern, indem man zusätzliche Monolagen von Graphen mit abwechselnden Verdrehungswinkeln zwischen den Lagen stapelt. Allerdings wird die Elektronenbewegung durch ein zusätzliches Energieband verschleiert. Dies erlaubte es bislang nicht, die stark korrelierten Zustände zu erforschen. In einem neuartigen spektroskopischen Ansatz haben LMU-Physiker um Dmitri Efetov nun die stark korrelierten Zustände von mit dem magischen 1,5 Grad Winkel verdrehten, dreischichtigen Graphen untersucht. Dabei nutzten sie die Überlappung elektronischer Bänder aus. Die Untersuchung der exakten Kreuzungspunkte zwischen den Bändern erlaubte es, die topologischen Eigenschaften der korrelierten Zustände und auch deren Energielücken im Detail zu bestimmen. Die Erkenntnisse werfen ein ganz neues Licht auf die zugrundeliegenden Eigenschaften von verdrehten Graphen-Systemen.

Cheng Shen, Patrick J. Ledwith, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Eslam Khalaf, Ashvin Vishwanath & Dmitri K. Efetov. Dirac spectroscopy of strongly correlatedphases in twisted trilayer graphene. Nature Materials, 2023.

Ergänzende Informationen in Nature Materials (news&views).