Ein Team der Universität Göttingen hat gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen aus Braunschweig, Bremen und der Schweiz erstmals direkt beobachtet, wie in Graphen sogenannte Floquet-Effekte entstehen. Damit belegen sie, was bislang umstritten war: Floquet-Engineering – eine Methode, bei der die Eigenschaften eines Materials durch Lichtpulse gezielt verändert werden – funktioniert auch in metallischen und halbmetallischen Quantenmaterialien wie Graphen. Die Ergebnisse erschienen in der Fachzeitschrift Nature Physics.

Experimente mit Femtosekunden-Impulsmikroskopie

Um Floquet-Zustände in Graphen experimentell zu untersuchen, nutzte das Forschungsteam Femtosekunden-Impulsmikroskopie. Dabei werden die Proben zunächst mit ultrakurzen Lichtblitzen angeregt und anschließend mit einem verzögerten Lichtpuls untersucht. Auf diese Weise lassen sich dynamische Prozesse im Material in Echtzeit verfolgen.

„Unsere Messungen beweisen eindeutig, dass sogenannte Floquet-Seitenbänder im Photoemissionsspektrum von Graphen auftreten“, erklärt Dr. Marco Merboldt, Physiker an der Universität Göttingen und Erstautor der Studie. „Damit ist klar: Floquet-Engineering funktioniert tatsächlich in diesen Systemen – und das Potenzial ist riesig.“

Die Studie zeigt, dass Floquet-Engineering nicht nur in Graphen, sondern in vielen Materialien funktioniert. Damit rückt das Ziel in Reichweite, Quantenmaterialien mit definierten Eigenschaften gezielt zu beeinflussen – und zwar mit Laserpulsen in extrem kurzer Zeit.

Perspektiven für Elektronik und Quantencomputer

Die Möglichkeit, Materialien auf diese Weise maßzuschneidern, könnte die Grundlage für neue Entwicklungen in Elektronik, Computertechnik und Sensorik bilden. Prof. Dr. Marcel Reutzel, der die Untersuchung in Göttingen gemeinsam mit Prof. Dr. Stefan Mathias geleitet hat, betont:

„Unsere Ergebnisse eröffnen neue Wege, elektronische Zustände in Quantenmaterialien mit Licht zu steuern. Das kann zu Technologien führen, bei denen Elektronen gezielt und kontrolliert manipuliert werden.“

Besonders spannend sei, so Reutzel weiter, dass mit dieser Methode auch topologische Eigenschaften untersucht werden können. „Das sind spezielle, sehr stabile Eigenschaften, die für robuste Quantencomputer oder neue Sensoren wichtig sein könnten.“

Unterstützung und Einordnung

Die Forschung wurde vom Sonderforschungsbereich SFB 1073 „Kontrolle von Energiewandlung auf atomaren Skalen“ an der Universität Göttingen finanziell unterstützt, gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG).

Begleitend zur Veröffentlichung erschien in Nature Physics zudem ein „News & Views“-Artikel, in dem externe Expertinnen und Experten die Ergebnisse kommentieren und einordnen.

Originalpublikation:
Merboldt, M., et al. (2025). Observation of Floquet states in graphene. Nature Physics. DOI:10.1038/s41567-025-02889-7

Quelle: Georg-August-Universität Göttingen