Pablo Jarillo-Herrero gehört zu den Preisträgern des Kavli-Preises 2026

Die Norwegische Akademie der Wissenschaften hat den Kavli-Preis für Nanowissenschaften 2026 an Pablo Jarillo-Herrero — unabhängiger Gruppenleiter am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung (MPI-FKF) — gemeinsam mit Eva Y. Andrei (Rutgers University) und Allan H. MacDonald (University of Texas at Austin) vergeben. Die drei Physiker teilen sich den Preis „für grundlegende Arbeiten, die das Forschungsfeld der Twistronics begründet haben", und mit ihm eine Goldmedaille sowie ein Preisgeld von einer Million US-Dollar.

Festkörperphysik mit einem "Twist"

Die Geschichte beginnt 2009. Eva Andrei und ihre Gruppe untersuchten Graphen mit der Rastertunnelmikroskopie und stießen auf eine Probe, die — durch einen glücklichen Zufall — nicht als einzelne Schicht, sondern als zwei leicht gegeneinander verdrehte Lagen gewachsen war. Unter dem Mikroskop erzeugten die versetzten Schichten ein markantes Moiré-Muster: ein großflächiges Übergitter, geboren aus der unvollkommenen Überlagerung. Die Gruppe erkannte, dass schon kleine Änderungen des Verdrehwinkels das Verhalten der Elektronen tiefgreifend umformten und ihre Bewegung drastisch verlangsamten. Nicht die Chemie, sondern die Geometrie steuerte das Material.

Zwei Jahre später, 2011, lieferte Allan MacDonald — gemeinsam mit Rafael Bistritzer — die Theorie. Ihre Rechnungen sagten voraus, dass bei einem bestimmten „magischen Winkel" von rund 1,1 Grad das Moiré-Übergitter die elektronischen Bänder des Materials nahezu vollständig abflachen würde. In solchen flachen Bändern bewegen sich die Elektronen kaum noch: Ihre kinetische Energie ist unterdrückt, und stattdessen dominiert die Energie ihrer gegenseitigen Abstoßung. Genau solche starken Wechselwirkungen sind der Nährboden für exotische, kollektive elektronische Phasen. Das Bistritzer-MacDonald-Modell wurde zum theoretischen Fundament dessen, was man heute Moiré-Materialien nennt.

Jahrelang lief die Vorhersage dem Experiment davon: Zwei atomare Schichten zu stapeln und sie bis auf den Bruchteil eines Grades genau auszurichten — sauber genug, um den Effekt sichtbar zu machen —, erwies sich als ungeheuer schwierig. 2018 dann gelang es Pablo Jarillo-Herrero und seinem Team am MIT. Am 5. April 2018 veröffentlichte Nature zwei wegweisende Arbeiten seiner Gruppe. Beim magischen Winkel, so berichteten sie, wird verdrehtes Doppellagen-Graphen (twisted bilayer graphene) bei Halbfüllung des Flachbands zu einem korrelierten Isolator — die Elektronen werden durch ihre gegenseitige Abstoßung festgesetzt, ähnlich wie in einem Mott-Isolator. Fügt man über eine angelegte Gate-Spannung einige Ladungen hinzu oder entfernt sie, verwandelt sich dasselbe Bauelement in einen unkonventionellen Supraleiter, der bis zu einer kritischen Temperatur von etwa 1,7 Kelvin Strom widerstandsfrei trägt. Beide Phasen — und der Übergang zwischen ihnen — lassen sich in ein und derselben Probe erreichen, allein durch das Verstellen einer Spannung, gleichsam an einem einzigen elektrostatischen Stellknopf.

Diese Abstimmbarkeit macht das System so leistungsfähig. Die Supraleitung tritt bei einer außerordentlich geringen Ladungsträgerdichte von etwa 10¹¹ Elektronen pro Quadratzentimeter auf — Größenordnungen unterhalb konventioneller Supraleiter. Das reiht verdrehtes Doppellagen-Graphen unter die am stärksten gekoppelten bekannten Supraleiter ein, in den Bereich nahe dem Übergang zwischen den beiden großen Bildern der Supraleitung (dem BCS-Grenzfall und der Bose-Einstein-Kondensation); seine kleinen Fermi-Flächen erinnern sogar an jene der unterdotierten Kuprate.

Gerade die Kuprate machen den Kontrast anschaulich. Diese Kupferoxid-Supraleiter hatten die Physik jahrzehntelang herausgefordert, doch um ihr Phasendiagramm zu kartieren, musste für jeden einzelnen Messpunkt die Chemie neu dotiert werden — faktisch eine neue Probe für jede Messung. Verdrehtes Doppellagen-Graphen verdichtet diesen Aufwand auf ein einziges, über eine Spannung abgestimmtes Bauelement. Wie Jarillo-Herrero und seine Kolleginnen und Kollegen es in Nature formulierten, ist verdrehtes Doppellagen-Graphen „ein präzise abstimmbarer, rein kohlenstoffbasierter, zweidimensionaler Supraleiter". Die Formulierung lohnt eine Entfaltung. Präzise abstimmbar heißt, dass ein einziger Chip nach Belieben durch isolierende, supraleitende und weitere korrelierte Phasen geführt werden kann — schlicht durch das Anpassen einer Gate-Spannung. Rein kohlenstoffbasiert hebt das Material von den chemisch komplexen Kupferoxid- und Eisen-Supraleitern ab: Hier entspringt der gesamte Reichtum der Geometrie, nicht der Zusammensetzung. Und zweidimensional bedeutet, dass jedes Elektron unmittelbar an der Oberfläche zugänglich ist — direkter Messung und Manipulation offen. Zusammen machen diese Eigenschaften das Material, wie die Autorinnen und Autoren argumentieren, zu einer idealen Plattform, um stark korrelierte Physik zu untersuchen — mit Implikationen, die bis zum ungelösten Mechanismus der Hochtemperatur-Supraleitung reichen und bis zu den Quanten-Spinflüssigkeiten, exotischen Zuständen, in denen die Elektronenspins selbst nahe dem absoluten Nullpunkt ungeordnet und verschränkt bleiben.

Der Preisträger

Pablo Jarillo-Herrero erwarb 1999 seine Licenciatura in Physik an der Universität Valencia, 2001 einen Masterabschluss an der University of California in San Diego. 2005 promovierte er an der Technischen Universität Delft; nach einem Postdoc-Aufenthalt an der Columbia University wechselte er 2008 ans MIT, wo er heute die Cecil-and-Ida-Green-Professur für Physik innehat. Der Kavli-Preis fügt sich in eine bereits bemerkenswerte Bilanz ein, zu der auch der Oliver-E.-Buckley-Preis — die renommierteste US-amerikanische Auszeichnung der Festkörperphysik — und der Wolf-Preis für Physik zählen, beide im Jahr 2020 verliehen.

Ein zweiter Standort in Stuttgart

Die Verbindung Jarillo-Herreros zum MPI-FKF geht auf den Max-Planck-Humboldt-Forschungspreis 2021 zurück, der ihn nach Stuttgart führte, um in enger Kooperation mit der Universität Stuttgart ein Forschungsprogramm aufzubauen. Hier leitet er die Gruppe „Ultra Cold 2D Quantum Matter" und sucht nach der nächsten Generation von Moiré-Systemen. Die Arbeit umspannt den gesamten Bogen des Feldes, das er mitbegründet hat: das Herstellen dieser empfindlichen geschichteten Strukturen mit höchster Präzision, das Entwickeln der „Stellknöpfe", mit denen sich ihre Eigenschaften steuern lassen, und ihre Charakterisierung mit verschiedensten Methoden — darunter eine Technik, die es erlaubt, gleichsam in Echtzeit zu verfolgen, wie der Winkel zwischen zwei Lagen ihr elektronisches Verhalten umformt.