Eine neue Studie der Columbia University, veröffentlicht in *Nature Physics*, zeigt, dass die Schichtstruktur zweidimensionaler Materialien auf natürliche Weise optische Resonatoren bilden kann. Diese Entdeckung eröffnet neue Perspektiven für das Verständnis des Entstehungsmechanismus von Quantenphasen wie Supraleitung. Ein gemeinsames Team der Columbia University und des Max-Planck-Instituts nutzte eine neuartige Terahertz-Spektroskopie, um das Kopplungsphänomen von Licht und Elektronen in zweidimensionalen Materialien zu beobachten.

„Wir haben eine verborgene Kontrollschicht in Quantenmaterialien entdeckt und damit einen Weg eröffnet, die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie gezielt zu beeinflussen. Dies kann uns helfen, exotische Materiezustände zu verstehen und sie letztendlich für die Entwicklung zukünftiger Quantentechnologien zu nutzen“, sagte James McAver, Assistenzprofessor für Physik an der Columbia University. Das Forschungsteam nutzte ein Terahertz-Spektrometer im Chipmaßstab, um die Wellenlänge des Lichts von einem Millimeter auf drei Mikrometer zu komprimieren und so die technische Hürde zu überwinden, dass die Skala zweidimensionaler Materialien viel kleiner ist als die Detektionswellenlänge.

Erstmals wurden in einem Experiment Plasmonen-Stehwellen beobachtet, die durch Reflexionen an den Kanten eines Graphensystems entstehen. Gunda Kip, Doktorandin am Max-Planck-Institut, erklärte: „Licht kann mit Elektronen koppeln und so hybride Licht-Materie-Quasiteilchen bilden. Diese Quasiteilchen bewegen sich wellenförmig und können unter bestimmten Bedingungen eingeschlossen werden, ähnlich wie eine stehende Welle auf einer Gitarrensaite einen charakteristischen Ton erzeugt.“ Die Studie bestätigt, dass jede Schicht in einer Mehrschichtstruktur zweidimensionaler Materialien einen natürlichen Hohlraum bilden kann und dass Plasmonen zwischen benachbarten Hohlräumen stark wechselwirken.

Diese Entdeckung eröffnet bisher unbekannte Möglichkeiten der Manipulation zweidimensionaler Materialsysteme. Postdoktorandin Hope Brecher erklärte: „Das gesamte Projekt war eher ein glücklicher Zufall. Wir hatten diese Hohlraumeffekte nicht erwartet, freuen uns aber sehr, sie nun zur Manipulation verschiedener Phänomene in Quantenmaterialien nutzen zu können.“ Das vom Forschungsteam entwickelte analytische theoretische Modell benötigt nur wenige geometrische Parameter zur Vorhersage von Materialeigenschaften und bietet damit eine neue Methode zur Entwicklung von Quantenmaterialien mit spezifischen Eigenschaften.

Die neuartige Terahertz-Spektroskopie bietet eine universelle Plattform zur Untersuchung verschiedener Quasiteilchenschwingungen in zweidimensionalen Materialien. Das Forschungsteam führt derzeit simultane Messungen an neuen Proben in Hamburg und New York durch, um den Kontrollmechanismus natürlicher Resonatoren in unterschiedlichen Quantenmaterialsystemen weiter zu erforschen.

Weitere Informationen: Cavity electrodynamics of van der Waals heterostructures, *Nature Physics* (2025). Zeitschrifteninformationen: *Nature Physics*