Neue Klasse von 2D-Material zeigt bei Raumtemperatur eine stabile Ladungsdichtewelle

Quantenmaterialien haben in den letzten Jahrzehnten großes Interesse für Computeranwendungen geweckt, aber nichttriviale Quanteneigenschaften – wie Supraleitung oder magnetischer Spin – bleiben in fragilen Zuständen.

„Beim Entwurf von Quantenmaterialien geht es immer um den Kampf gegen die Unordnung“, sagte Robert Hovden, außerordentlicher Professor für Materialwissenschaften und -technik an der University of Michigan.

Wärme ist die häufigste Form der Störung, die Quanteneigenschaften stört. Quantenmaterialien zeigen exotische Phänomene oft nur bei sehr niedrigen Temperaturen, wenn das Atom nahezu aufhört zu schwingen und es den umgebenden Elektronen ermöglicht, miteinander zu interagieren und sich auf unerwartete Weise neu anzuordnen. Aus diesem Grund werden Quantencomputer derzeit in Bädern aus flüssigem Helium bei −269 °C oder etwa -450 °F entwickelt. Das sind nur wenige Grad über null Kelvin (-273,15 °C).

Materialien können auch Quanteneigenschaften verlieren, wenn sie von 3D zu einer 2D-Einzelschicht aus Atomen abgeblättert werden, eine dünne Schicht, die für die Entwicklung nanoskaliger Geräte von besonderem Interesse ist.

Jetzt hat ein Forschungsteam unter der Leitung der University of Michigan eine neue Methode entwickelt, um ein exotisches Quantenphänomen namens Ladungsdichtewelle bei Raumtemperatur zu induzieren und zu stabilisieren. Sie haben im Wesentlichen eine neue Klasse von 2D-Materialien identifiziert. Die Ergebnisse werden veröffentlicht in Naturkommunikation.

„Dies ist die erste Beobachtung einer geordneten Ladungsdichtewelle in zwei Dimensionen. Wir waren schockiert, dass es nicht nur eine Ladungsdichtewelle in zwei Dimensionen gibt, sondern dass die Ladungsdichtewelle auch erheblich verstärkt ist“, sagte Hovden.

Anstelle des typischen Ansatzes, einzelne Atomschichten abzulösen und abzuschälen, um ein 2D-Material herzustellen, ließen die Forscher das 2D-Material innerhalb einer anderen Matrix wachsen. Sie nannten die neue Materialklasse „endotaxial“, abgeleitet von den griechischen Wurzeln „endo“, was „innerhalb“ bedeutet, und „taxis“, was „geordnet“ bedeutet.

Die Forscher arbeiteten mit einem metallischen Kristall, Tantaldisulfid (TaS2), dessen Atome wie bei jedem Kristall in einem Muster angeordnet sind, ähnlich wie ordentlich angeordnete Tischtennisbälle in alle Richtungen. Sie beobachteten, dass sich die Elektronen der 2D-TaS2-Kristallschicht beim Wachstum des Materials spontan zusammenballten und ihren eigenen Kristall bildeten, der als Ladungskristall oder Ladungsdichtewelle bekannt ist – ein sich wiederholendes Muster in der Elektronenverteilung in einem festen Material.

Wenn die Elektronen verklumpen und kristallisieren, wird ihre Bewegung eingeschränkt und das Metall leitet den Strom nicht mehr gut. Ohne die Chemie des Materials zu verändern, hat die Ladungskristallbildung das Material von einem Leiter in einen Isolator umgewandelt. Dieses exotische Quantenphänomen könnte sich als Transistor im klassischen oder Quantencomputing als nützlich erweisen und als Tor zur Steuerung des Spannungsflusses fungieren.

„Dies eröffnet die Idee, dass die endotaktische Synthese eine wichtige Strategie zur Stabilisierung fragiler Quantenzustände in den normalen Temperaturbereichen, in denen wir leben, sein könnte“, sagte Suk Hyun Sung, Erstautorin der Arbeit und Doktorandin und derzeitige Postdoktorandin an der University of Michigan das Rowland Institute der Harvard University.

Mit einem bei Raumtemperatur stabilen Ladungskristall in der Hand beschlossen die Forscher, ihn zu erhitzen, um Veränderungen zu beobachten.

„Es ist bei unerwartet hohen Temperaturen angeordnet. Nicht nur bei Raumtemperatur, sondern wenn man es über den Siedepunkt von Wasser hinaus erhitzt, weist es immer noch eine Ladungsdichtewelle auf“, sagte Hovden.

Die Forscher beobachteten schließlich, wie der Ladungskristall schmolz, während das Material fest blieb und der Quantenzustand entfernt wurde.

Experimente wie dieses erweitern unser grundlegendes Verständnis von Quantenmaterialien, was von entscheidender Bedeutung ist, wenn Forscher daran arbeiten, exotische Quantenphänomene für technische Lösungen nutzbar zu machen.

„Quantenmaterialien werden sowohl das klassische als auch das Quantencomputing revolutionieren“, sagte Hovden.

Beide Felder stecken fest, sagt Hovden. Das klassische Computing hat die Leistungsfähigkeit von Silizium ausgeschöpft und Quantencomputing kann derzeit nur bei extrem niedrigen Temperaturen betrieben werden. Sie brauchen Quantenmaterialien, um voranzukommen.

Diese Forschung legt vorerst den Grundstein für die Entdeckung neuer Quantenmaterialien mithilfe der endoaxialen Synthese und verspricht eine Stabilisierung der Quanteneigenschaften bei praktischeren Temperaturen.