Die Manipulation von Materie mit Licht ist vielversprechender als Wissenschaftler dachten.

Nanotechnologie

Redaktion der Website für technologische Innovationen – 22. September 2025

Wissenschaft und Kunst: Illustration des physikalischen Phänomens „Floquet-Zustände“, das erstmals in Graphen beobachtet wurde. Die Abbildung zeigt die dreidimensionale elektronische Struktur von Graphen – sogenannte Dirac-Kegel – und ihre durch Licht erzeugten Replikate. [Bild: Lina Segerer (www.linasegerer.de)]

Floquet-Effekt

Graphen blieb bisher etwas im Verborgenen, da es zwar in vielen Bereichen vielversprechend ist – flexible Bildschirme, Sensoren, leistungsstarke Batterien, Solarzellen usw. –, es jedoch sehr schwierig ist , Graphen im industriellen Maßstab herzustellen .

Doch obwohl es viele Gründe gab, hierin zu investieren, gibt es jetzt noch einen weiteren: Es ist möglich, die Eigenschaften zweidimensionaler Materialien nur mit Licht zu manipulieren, was ihr Potenzial für technologische und wissenschaftliche Anwendungen auf eine ganz neue Ebene hebt.

Forscher der Universitäten Göttingen und Freiburg haben erstmals Floquet-Effekte an Graphen direkt beobachtet. Diese Effekte ermöglichen nichts Geringeres als die Kontrolle von Materie mit Licht .

Die Demonstration beendet auch eine langjährige Debatte unter Physikern, die glaubten, dass die Floquet-Technik – eine Methode, bei der die Eigenschaften eines Materials mithilfe von Lichtimpulsen mit hoher Präzision verändert werden – bei metallischen und halbmetallischen Materialien wie Graphen nicht funktionieren würde.

Dieser Beweis rückt die gesamte Familie der zweidimensionalen (2D) Materialien oder Van-der-Waals-Materialien in den Blickpunkt der Wissenschaftler – wir wissen heute bereits, dass es ein ganzes Universum eindimensionaler Materialien gibt, das kürzlich um 2D-Metalle erweitert wurde.

Floquet-Engineering in Graphen demonstriert. [Bild: Marco Merboldt et al. - 10.1038/s41567-025-02889-7]

Lichtgesteuerte Materialien

Um Floquet-Zustände in Graphen experimentell zu untersuchen, nutzten die Forscher die Femtosekunden-Impulsmikroskopie. Bei dieser Technik werden Proben zunächst mit schnellen Lichtblitzen angeregt und anschließend mit einem verzögerten Lichtpuls untersucht, um dynamische Prozesse im Material zu verfolgen.

„Unsere Messungen belegen eindeutig, dass im Photoemissionsspektrum von Graphen ‚Floquet-Effekte‘ auftreten“, sagte Professor Marco Merboldt. „Das macht deutlich, dass Floquet-Engineering in diesen Systemen tatsächlich funktioniert – und das Potenzial dieser Entdeckung ist enorm.“

Tatsächlich zeigt dies, dass die Floquet-Technik mit einem viel breiteren Materialspektrum funktioniert als bisher angenommen. In der Praxis bedeutet dies, dass das lang ersehnte Ziel, neue Materialien mit spezifischen Eigenschaften zu entwickeln und dies mithilfe von Laserpulsen in extrem kurzer Zeit zu erreichen, näher rückt, so die Forscher.

Eine derartige anwendungsspezifische Materialkonfiguration könnte die Grundlage für die Elektronik, Computer und Sensorik der Zukunft bilden.

„Unsere Ergebnisse eröffnen neue Wege, elektronische Zustände in Quantenmaterialien mit Licht zu steuern. Dies könnte zu Technologien führen, in denen Elektronen gezielt und kontrolliert manipuliert werden“, sagt Teammitglied Professor Stefan Mahias. „Besonders spannend ist, dass wir damit auch topologische Eigenschaften untersuchen können. Dabei handelt es sich um besondere und sehr stabile Eigenschaften, die großes Potenzial für die Entwicklung zuverlässiger Quantencomputer oder neuer Sensoren in der Zukunft bergen“, ergänzt sein Kollege Marcel Reutzel.

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