Mechanische Kontrolle über makroskopische Quantenzustände in zweidimensionalen Heterostrukturen

• Antragsteller: Professor Dr. Christoph Stampfer
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 406252058

Jüngste Fortschritte auf dem Gebiet von tieftemperaturtauglichen elektromechanischen Mikrosystemen ermöglichen es, die fundamentalen Wechselwirkungen zwischen strukturellen, mechanischen und elektronischen Eigenschaften von zwei-dimensionalen (2D) Materialsystemen zu untersuchen und diese durch mechanische Dehnung bzw. durch gezielte Deformationen der Kristallstruktur zu manipulieren. In diesem Projekt planen wir diesen vielversprechenden Ansatz zu erweitern und mithilfe der Kombination von Quantentransport und kontrollierter mechanischer Dehnung mehr über die Ausbildung und die Phasendiagramme makroskopischer Quantenzustände, wie z.B. den Quanten-Hall-Effekt (QHE), die Supraleitung oder Ladungsdichtewellen zu lernen. Im Speziellen möchten wir drei wichtigen Fragestellungen nachgehen: Zum einen streben wir ein umfassendes und grundlegendes Verständnis über den Einfluss thermischer Fluktuationen, intrinsischer Welligkeiten und nanometer-großer Variationen der mechanischen Verspannung auf die Eigenschaften von Graphen und insbesondere auf den QHE an. Um dies zu erreichen, induzieren wir in freitragenden Graphen-Strukturen mechanische Dehnungen in kontrollierter und reproduzierbarer Weise und studieren deren Einfluss auf den QHE. In einem nächsten Schritt werden wir kontrollierte Dehnungsgradienten erzeugen, welche ein homogenes Pseudo-Magnetfeld erzeugen und so zu einem neuartigen QHE in Graphen führen. Der Nachweis eines Pseudo-Magnetfeld-induzierten QHEs wäre auch ein wichtiger Meilenstein auf dem Weg zu einer Valley-basierten Elektronik. Die zweite Fragestellung beschäftigt sich mit der Supraleitung in ein- und mehrlagigem NbSe2. Insbesondere wollen wir herauszufinden warum Supraleitung bislang nur in nicht freihängenden Systemen beobachtet wird. Ein Erklärungsmodell legt nahe, dass dies an der intrinsischen Welligkeit und den thermischen Fluktuationen liegt. Wir werden diese Hypothese testen, indem wir die freitragenden Proben durch eine einstellbare Zugspannung glätten und stabilisieren. Sollte dies erfolgreich sein, erhalten wir dadurch auch ein grundlegendes Verständnis und die Kontrolle über den quantenmechanischen Phasenübergang. Somit können wir z.B. Bauelemente herstellen in denen supraleitende und normalleitende Zustände koexistieren und diese über mechanische Dehnung ein- und ausgeschaltet werden können. Die dritte Fragestellung beschäftigt sich mit der intrinsischen Dämpfung von Resonatoren aus supraleitendem NbSe2. Der Schichtwiderstand, der durch die Joule‘sche Wärmeentwicklung bestimmt werden kann, gibt Informationen über das Vorhandensein von nicht-supraleitenden Regionen in der Membran und somit über den Ordnungsparameter. Die wichtigste Voraussetzung für den Erfolg des Gesamtprojektes ist die Kombination von Tieftemperaturtransport und die Kontrolle über die induzierte mechanische Dehnung. Beides ist durch unsere einzigartige Herangehensweise gegeben und erlaubt das Studium makroskopische Quantenzustände in 2D Heterostrukturen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen