Das Quantenverhalten von Elektronen in zweidimensionalen Materialien wird neu definiert. Einem Forschungsteam der Florida State University ist es erstmals gelungen, durch die Manipulation von Quantenparametern einen verallgemeinerten Wigner-Kristall in einem Moiré-Muster stabil zu erzeugen. In diesem speziellen Materiezustand können Elektronen sowohl streifenförmige oder wabenartige Festkörpergitter bilden als auch teilweise in eine flüssige, leitfähige Schicht „verschmelzen“. Dieses gleichzeitige Vorhandensein von Leitfähigkeit und Isolation eröffnet neue Wege für Quantencomputer und Spintronik. Die entsprechenden Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift *npj Quantum Materials* veröffentlicht.

Dem Forschungsteam gelang es, die kritischen Bedingungen für elektronische Phasenübergänge in einem zweidimensionalen System mithilfe numerischer Verfahren wie präziser Diagonalisierung und Dichtematrix-Renormierungsgruppe in Kombination mit den Rechenressourcen des National High Magnetic Field Laboratory zu ermitteln. Traditionelle Wigner-Kristalle weisen lediglich eine Dreiecksgitterstruktur auf, während die verallgemeinerte Variante durch Manipulation der Moiré-Streifen vielfältige Gittermorphologien ausbilden kann. „Wir haben die Kombination von Quantenparametern bestimmt, die den Phasenübergang auslöst“, erklärte Mitautor Hitesh Chanlani. „Dieser Kristall bildet bei einer bestimmten Elektronendichte spontan Schichten; einige Elektronen bleiben stationär und bilden eine isolierende Schicht, während andere delokalisieren und leitfähige Kanäle bilden.“

Dieser spezielle Zustand, die sogenannte „Flipper-Phase“, zeigt ein elektronisches Verhalten, das dem eines Flipperautomaten ähnelt: Eine fixierte Elektronensäule und eine sich bewegende Kugel bilden ein dynamisches Gleichgewicht. Das Forschungsteam entdeckte mithilfe von Tensornetzwerkberechnungen, dass dieser Zustand auf einem empfindlichen Gleichgewicht zwischen Quantenfluktuationen und der Coulomb-Wechselwirkung zwischen den Elektronen beruht. „Wir haben diesen Quanteneffekt erstmals experimentell nachgewiesen“, betonte Assistenzprofessor Cyprian Lewandowski. „Dies eröffnet eine völlig neue Dimension für die Kontrolle des Phasenzustands von Materie – neben traditionellen Parametern wie Temperatur und Druck können nun auch Parameter wie Quantenspin und Orbitalhybridisierung als Stellschrauben dienen.“

Diese Entdeckung hat direkte Auswirkungen auf die Entwicklung von Quantencomputern. Durch die Anpassung des Verdrehwinkels der Moiré-Streifen und der Elektronendichte gelang es Forschern, den Phasenübergang von Isolatoren zu Supraleitern stufenlos zu steuern. Diese präzise Manipulationsmöglichkeit liefert eine theoretische Grundlage für den Bau von energiearmen Qubits und topologischen Quantenspeichern und treibt gleichzeitig die Integration der Spintronik voran.

Weitere Informationen: Aman Kumar et al., „Origin and stability of generalized Wigner crystallinity in triangular Moiré fringe systems“, npj Quantum Materials (2025).