Ein einzelner Lichtimpuls kann koordinierte Bewegungen in atomar dünnen Materialschichten auslösen; dieser dynamische Prozess, angetrieben durch ultraschnelle Energieimpulse, ist in nur einer Billionstel Sekunde abgeschlossen. Ein Forschungsteam der Cornell University und der Stanford University hat mithilfe ultraschneller Elektronenbeugung erstmals das kurzzeitige Verhalten synchroner atomarer Verdrehungen in einem Moiré-Streifenmaterial unter Lichteinwirkung erfasst. Die in *Nature* veröffentlichte Studie eröffnet neue Wege zur gezielten Beeinflussung der Quanteneigenschaften zweidimensionaler Materialien.

Das Forschungsteam nutzte ein von der Cornell University entwickeltes ultraschnelles Elektronendiffraktometer und einen EMPAD-Detektor, um atomar dünne Materialschichten in Echtzeit zu beobachten. Beim Auftreffen eines Laserpulses auf die Probe emittiert das Gerät sofort einen hochenergetischen Elektronenstrahl und zeichnet die atomaren Verschiebungsbahnen mittels Pump-Probe-Verfahren auf. Das Experiment zeigte, dass das Moiré-Streifenmaterial keine feste Struktur aufweist; seine Atomlagen verflechten sich unter Lichteinwirkung kurzzeitig eng miteinander und kehren dann durch Energieabgabe in ihren ursprünglichen Zustand zurück, ähnlich einem aufgewickelten Band. Darüber hinaus zeigen die Atome innerhalb jeder Einheitszelle eine kreisförmige Schwingung, was das bisherige Verständnis grundlegend verändert.

„Bisher ging man davon aus, dass die Struktur gestapelter Materialien unveränderlich ist, doch unsere Daten zeigen, dass sich die Atome in ständiger Bewegung befinden“, erklärte Liu Fang, einer der Hauptautoren der Studie. Diese Entdeckung verdanken wir der bahnbrechenden Anwendung des EMPAD-Detektors. Ursprünglich für statische Bildgebung eingesetzt, wurde er zu einer hochempfindlichen Kamera für die Erfassung atomarer Dynamik umgebaut. Das eigens entwickelte Hardware-System des Forschungsteams hob die Beugungsauflösung auf ein neues Niveau und ermöglichte die erfolgreiche Rekonstruktion der Atombahnen aus komplexen Spektren. Dr. Cameron Duncan spielte eine Schlüsselrolle bei der Datenanalyse, und sein entwickeltes algorithmisches Modell lieferte entscheidende Unterstützung für die Interpretation ultraschneller Signale.

Das Labor von Professor Liu hat neuartige Moiré-Streifenmuster hergestellt und plant, die Lichtreaktionseigenschaften verschiedener Systeme durch Anpassung der Materialzusammensetzung und des Torsionswinkels zu untersuchen. Diese Arbeit soll unser Verständnis der aktiven Kontrollmechanismen des Quantenverhaltens vertiefen und eine theoretische Grundlage für technologische Innovationen in Bereichen wie supraleitenden Materialien und Quantencomputing schaffen.

Weitere Informationen: Cameron JR Duncan et al., „Twisting and Detwisting of Photoinduced Moiré Superlattices“, *Nature* (2025). Zeitschrifteninformationen: *Nature*