Ein internationales Team mit dem Institut für Photonische Quantensysteme der Universität Paderborn beschreibt hochleitfähige Zonen an Grenzflächen in Quantenmaterialien. Grundlage sind verdrehte Lithiumniobat‑Kristallschichten, verbunden per thermischem Kompressions‑Bonding.
Wenn Kristalle sich drehen, beginnt Strom zu fließen
Konkret geht es um „verdrehte Grenzflächen“ – so der Fachbegriff. Damit sind Materialien gemeint, die aus gestapelten, kristallinen Schichten bestehen, die in einem bestimmten Winkel zueinander angeordnet sind. Diese Anordnung führt zu einzigartigen physikalischen Eigenschaften. Bisher konzentrierten sich Untersuchungen verdrehter Grenzflächen vor allem auf sogenannte van-der-Waals-Materialien.
Die Wissenschaftler konnten jetzt nachweisen, dass das gezielte Verdrehen zweier großer Kristalle aus Lithiumniobat, das nicht zu den klassischen van-der-Waals-Materialien gehört, die Erzeugung neuartiger Grenzflächen ermöglicht. Verbunden wurden die beiden Lithiumniobatschichten durch eine thermische Kompressions-Bonding-Methode, also mittels Hitze und mechanischem Druck. Danach war es möglich, die elektrischen Eigenschaften an der Grenzfläche zu manipulieren. „Wir haben beobachtet, dass je nach Drehwinkel neuartige hochleitfähige Zonen an den Grenzflächen zwischen diesen sonst elektrisch isolierenden Materialien entstehen“, erklärt Dr. habil. Michael Rüsing vom PhoQS.
„Mit unserer Arbeit zeigen wir, dass sich die elektronischen Eigenschaften von Materialien präzise steuern lassen. Insbesondere die Möglichkeit, auch stark gebundene Kristalle gezielt zu verdrehen und ihre Grenzflächen zu kontrollieren, eröffnet faszinierende Perspektiven für künftige Quanten- und Nanoelektronik. Dadurch erreichen wir eine Miniaturisierung und Funktionalität von Bauteilen, die bisher undenkbar war“, so Dr. Rüsing weiter.
An der Arbeit waren Wissenschaftler aus Deutschland, Spanien, Großbritannien und den USA beteiligt. Das Projekt, in dessen Kontext die Publikation entstanden ist, wird von mehreren nationalen und internationalen Organisationen gefördert. In Deutschland wird es unter anderem von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen einer Forschungsgruppe unterstützt, die mit einem Teilprojekt, geleitet durch Prof. Dr. Christine Silberhorn, am PhoQS vertreten ist. Die Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung globaler und interdisziplinärer Zusammenarbeit in der Grundlagenforschung. Langfristig eröffnen sie neue Möglichkeiten für den Bau von Computerchips und Speicherelementen, etwa für Quantenanwendungen oder ultraschnelle Rechentechnologien.
