Forschende beobachten erstmals, wie sich nanoskalige Ladungsinseln in einem geschichteten Supraleiter gemeinsam bewegen. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nano Letters veröffentlicht.
In vielen Quantenmaterialien bilden sich lokal begrenzte Bereiche elektronischer Ordnung, sogenannte „Puddles“, die nur wenige Nanometer groß sind. Ihre räumliche Anordnung ist bereits gut untersucht. Wie sie sich jedoch bewegen und ob sie dabei unabhängig voneinander oder gemeinsam schwingen, war bislang weitgehend unbekannt. Ein Forschungsteam des IFW Dresden, der TU Dresden und der Universität Neapel Federico II konnte nun eine kollektive Schwingung solcher Ladungsinseln im geschichteten Supraleiter 2H-NbSe₂ nachweisen.
Anschaulich lässt sich dieses Verhalten mit kleinen Wasserpfützen auf übereinandergestapelten Tabletts vergleichen. Jede Atomlage entspricht dabei einem Tablett, auf dem sich mehrere Pfützen befinden. Werden die Tabletts hin- und hergeschoben, bewegt sich das Wasser zunächst in jeder Pfütze unabhängig von den anderen. Unterhalb einer bestimmten Temperatur ändert sich dieses Verhalten jedoch: Die Pfützen beginnen, sich gemeinsam in einem langsamen Rhythmus zu bewegen.
Im geschichteten Supraleiter 2H-NbSe₂ bildet sich unterhalb von etwa 28 Kelvin eine sogenannte Ladungsdichtewelle (Charge-Density Wave, CDW) aus. Dabei verändert sich die elektronische Ladungsdichte in einem regelmäßigen räumlichen Muster. Diese Ordnung tritt in lokal begrenzten, etwa zehn Nanometer großen Bereichen auf – den sogenannten Ladungsinseln. Unterhalb von sieben Kelvin wird das Material zudem supraleitend.
Eine vergleichbare kollektive Schwingung konnten die Forschenden nun bei diesen nanoskaligen Ladungsinseln nachweisen. Mithilfe der Raman-Spektroskopie zeigten sie zunächst, dass die Scherschwingungen benachbarter Atomlagen stark mit der Ladungsdichtewelle gekoppelt sind. Ultraschnelle Laserexperimente machten anschließend sichtbar, dass unterhalb von etwa 17 Kelvin eine gemeinsame Schwingung mit einer Frequenz von rund 0,2 Terahertz auftritt. Gleichzeitig verlangsamt sich die elektronische Dynamik deutlich.
Die Forschenden interpretieren diese Beobachtungen als kollektive, glasartige Dynamik der Ladungsinseln. Als mögliche Ursache vermuten sie das Zusammenspiel der lokalen Ladungsordnungen und ihrer Kopplung an die Gitterschwingungen. Die Ergebnisse zeigen damit, wie die Dynamik lokal begrenzter elektronischer Ordnung die Eigenschaften des gesamten Materials beeinflussen kann. Sie könnten auch erklären, warum die Ladungsordnung in einzelnen Atomlagen wesentlich stärker ausgeprägt ist.
Das Superpuddles Lab am IFW Dresden
Die Erforschung solcher Ladungsinseln steht im Mittelpunkt des Superpuddles Lab am IFW Dresden unter der Leitung von Dr. Golam Haider und Prof. Dr. Nicola Poccia. Die Puddles sind auch das zentrale Motiv im Logo der Forschungsgruppe. Sie untersucht, wie diese nanoskaligen Bereiche elektronischer Ordnung entstehen, welche Dynamik sie zeigen und wie sie sich gezielt beeinflussen lassen. Ein Schwerpunkt liegt dabei auf zweidimensionalen Supraleitern und gegeneinander verdrehten Schichtstrukturen. Ziel ist es, die zugrunde liegenden physikalischen Prozesse besser zu verstehen und für die Entwicklung supraleitender Quantentechnologien nutzbar zu machen.
„Die Ladungsinseln sind kein bloßes Rauschen in Quantenmaterialien. In ihnen zeigt sich neue Physik“, erklärt Nicola Poccia. „Wenn wir verstehen, wie sie sich bewegen und wie wir diese Bewegung gezielt beeinflussen können, lassen sich supraleitende Bauelemente ausgehend von diesen Inseln entwickeln – von gegeneinander verdrehten Schichtkontakten bis hin zu Komponenten für supraleitende Quantentechnologien.“
„Dies können wir erreichen, indem wir Lichtpulse gezielt so gestalten, dass sie die kollektive Dynamik der Ladungsinseln selektiv anregen und verändern“, ergänzt Stefan Kaiser von der TU Dresden.
„Die Ladungsinseln sind nicht einfach statische Strukturen, sondern besitzen ihren eigenen Rhythmus. Wenn wir diesen Rhythmus verstehen und kontrollieren können, eröffnen sich Möglichkeiten, die Funktionen zukünftiger optoelektronischer Bauelemente und Quantentechnologien gezielt zu gestalten“, fasst Golam Haider zusammen.
Originalpublikation
S. Kumbhakar, M. Esposito, A. Kumar N M et al., Dynamics of Charge-Density-Wave Puddles in 2H-NbSe₂. Nano Letters (2026), Open Access (CC BY 4.0).
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.6c03967
Kooperationspartner
TU Dresden (Prof. Stefan Kaiser), Universität Neapel Federico II, Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe und Universität Sharjah.
Förderung
European Research Council (ERC-CoG 3DCuT, 101124606; ERC T-Higgs, 101044657), Deutsche Forschungsgemeinschaft (einschließlich Exzellenzcluster ctd.qmat, EXC 2147, und SFB 1143), PNRR MUR NQSTI (PE0000023).
Kontakt
Dr. Golam Haider
E-Mail: g.haider@ifw-dresden.de
Prof. Dr. Nicola Poccia
E-Mail: n.poccia@ifw-dresden.de
Medienkontakt
Patricia Bäuchler
E-Mail: p.baeuchler@ifw-dresden.de
