Eine kleine Drehung – und die Eigenschaften eines Materials ändern sich grundlegend. Wenn zwei atomar dünne Kristalle aufeinandergelegt und leicht gegeneinander verdreht werden, entsteht ein großflächiges Moiré-Muster, das die Bewegung und Wechselwirkung der Elektronen neu ordnet. Genau so funktioniert die Twistronik – ein Gebiet, das bereits Supraleitung und fraktionierte Chern-Isolatoren in Graphen und Übergangsmetall-Dichalkogeniden hervorgebracht hat.
Forschende aus mehr als einem Dutzend Instituten, darunter das Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids in Dresden, analysierten fast 9000 zweidimensionale Materialien aus computergestützten Datenbanken. Sie wandten eine erweiterte topologische Quantenchemie an, um die elektronischen Eigenschaften und Symmetrien der Kristalle zu beschreiben. Dabei identifizierten sie 4073 Materialien mit nichttrivialer Topologie oder besonderen Einschränkungen für die Anordnung der elektronischen Ladung.
Aus diesem Fundus wurden besonders aussichtsreiche Kandidaten für das Verdrehen ausgewählt: 61 Halbmetalle und 1568 Isolatoren. Ihre elektronischen Bänder ermöglichen schmale Bänder, in denen die Wechselwirkung der Elektronen gegenüber ihrer Bewegung zu dominieren beginnt. Solche Bedingungen begünstigen Supraleitung, Magnetismus und fraktionierte Quantenzustände.
Die Kandidaten umfassen vielfältige Kristallgitter – von hexagonalen bis zu schiefwinkligen. Dies eröffnet die Möglichkeit, Quantensimulatoren für konkrete Modelle zu schaffen: Verdrehte quadratische Gitter können das Hubbard-Modell nachbilden, das für die Hochtemperatur-Supraleitung wichtig ist, während rechteckige das Verhalten von Elektronen in eindimensionalen Ketten widerspiegeln.
Die theoretischen Funde wurden bereits durch Experimente untermauert. Die Forschenden züchteten Volumenkristalle mehrerer Kandidaten, darunter Zinndiselenid und Hafniumdisulfid, lösten sie erfolgreich bis zu Monolagen ab und bauten erste Bauelemente zusammen. In Dresden gelang es unter der Leitung von Claudia Felser, Materialien in der erforderlichen Qualität für das weitere Verdrehen und für Messungen bei Millikelvin-Temperaturen herzustellen.
Zwei neue Kataloge bieten ein systematisches Werkzeug: Der eine beschreibt die elektronischen „Bausteine“, der andere zeigt, welche davon sich am besten für die Twistronik eignen. Nun können Forschende Material und Verdrehungswinkel gezielt auf eine konkrete Frage zur Quantenmaterie abstimmen, statt sich auf einige wenige bekannte Plattformen zu beschränken.
Das Experiment liefert mitunter Fragen, die einem zuvor nicht einmal in den Sinn gekommen wären.
