Wie kann man neue Entwicklungen aus der Nanotechnologie einsetzen, um bisher unentdeckte Quanteneffekte zu erzeugen? Die Physikerin Fangyuan Yang forscht am Institut für Festkörperphysik in Kooperation mit dem Zentrum für Mikro- und Nanostrukturen (ZMNS) der TU Wien an Vielteilchen-Phänomenen und hat sich große Ziele gesetzt. Nun erhält sie den prestigeträchtigen ASTRA-Preis des österreichischen Wissenschaftsfonds FWF – mit einer Fördersumme von rund einer halben Million Euro wird sie nun an der TU Wien ihre eigene Forschungsgruppe aufbauen.
Teilchen, Welle oder Quasiteilchen?
Die Quantenphysik sagt: Elektronen kann man sich nicht wie kleine Kügelchen vorstellen. Sie benehmen sich in manchen Situationen eher wie Wellen. In Fangyuan Yangs Forschungsarbeit ist die Situation aber sogar noch komplizierter. Sie beschäftigt sich mit Materialien, in denen die Elektronen einander stark beeinflussen. Man kann sie nicht mehr getrennt voneinander beschreiben, man muss sie als kollektives Gesamtsystem betrachten.
In solchen Vielteilchensystemen können dann sogenannte „Quasiteilchen“ entstehen: Kollektive Anregungen vieler Elektronen. Man kann sich das ähnlich vorstellen wie eine Welle, die durch ein Fußballstadion läuft: Jeder einzelne Mensch im Stadion bleibt an seinem Platz, die Welle ist eine kollektive Anregung, aber sie bewegt sich und sie befindet sich zu einem bestimmten Zeitpunkt an einem bestimmten Ort. Auch einem Quasiteilchen kann man bestimmte Eigenschaften zuordnen, auch wenn es kein echtes Teilchen ist, sondern nur ein Gemeinschaftseffekt, erzeugt durch das Zusammenspiel vieler Elektronen.
Ein Moiré-Effekt im Kristall
Fangyuan Yang beobachtet solche Effekte in zweidimensionalen Materialschichten – zum Beispiel im 2D-Material Graphen. Ein entscheidender Trick bei ihrer Arbeit ist, dass sie zwei Schichten miteinander kombiniert. Allerdings liegen sie nicht exakt gleich ausgerichtet aufeinander, sondern sie werden ein bisschen gegeneinander verdreht. Das erzeugt einen sogenannten Moiré-Effekt, wie man ihn auch optisch sehen kann, wenn man zwei Gitter übereinanderlegt und gegeneinander bewegt. Auf diese Weise erzeugt Fangyuan Yang ein periodisches Potenzial, mit dem man die Eigenschaften der Elektronen (bzw. der von ihnen hervorgerufenen Quasiteilchen) steuern kann.
Dadurch kann man eine Vielzahl von Effekten studieren: Der fraktionale Quanten-Hall-Effekt, für den 1998 der Physik-Nobelpreis vergeben wurde, ist normalerweise nur bei hohen Magnetfeldern zu beobachten. Durch ausgeklügelte Schicht-Materialien soll ein ganz ähnliches Prinzip auch ohne Magnetfeld messbar werden. Yang will außerdem neue Arten von Quanten-Phasenübergängen studieren und topologische Eigenschaften von Materialien untersuchen.
Fangyuan Yang
Fangyuan Yang schloss 2018 ihre Doktorarbeit an der Fudan University in Shanghai (China) ab. Danach ging sie als Postdoc an die University of California in Santa Barbara (USA). 2023 wechselte sie dann ans Institut für Festkörperphysik an der TU Wien, wo sie seither an Vielteilchen-Phänomenen in zweidimensionalen Materialien forscht. Mit dem ASTRA-Preis kann sie ihre Forschungsaktivitäten nun ausbauen, Doktoratsstudierende anstellen und sich mit ihrer jungen Forschungsgruppe international positionieren.
Rückfragehinweis
Fangyuan Yang, PhD
Institut für Festkörperphysik
Technische Unviersität Wien
+43 1 58801 138 760
fangyuan.yang@tuwien.ac.at
Aussender:
Dr. Florian Aigner
PR und Marketing
Technische Universität Wien
+43 664 60588 4127
florian.aigner@tuwien.ac.at