Graphenforschung

Elektronen auf definierten Schlangenlinien unterwegs

Physiker der Universität Basel zeigen erstmals, dass sich Elektronen in Graphen auf einer vordefinierten Spur bewegen lassen. Diese Bewegung verläuft vollkommen verlustfrei und könnte eine Grundlage für zahlreiche Anwendungen im Bereich der Elektronik legen.

Das Prinzip des Experiments: Das Wabennetz stellt eine atomare Graphenschicht dar, die zwischen zwei elektrischen Messkontakten (silbern) aufgespannt ist. Im unteren Bereich befinden sich zwei Steuerelektroden (golden), die zur Erzeugung eines elektrischen Felds verwendet werden. Zusätzlich wird ein Magnetfeld senkrecht zur Graphenebene angelegt. Durch die Kombination eines elektrischen und eines magnetischen Felds bewegen sich die Elektronen auf einer Schlangenlinie. (© Adapted with permission from Rickhaus et al., Nature Communications, 2015)

Die Forschungsgruppe von Prof. Christian Schönenberger vom Swiss Nanoscience Institute und dem Departement Physik beschäftigt sich seit einigen Jahren mit dem „Wundermaterial“ Graphen. Die Wissenschaftler der Universität Basel haben Methoden erarbeitet, die es ihnen erlaubt, reine Graphenlagen aufzuspannen, zu untersuchen und zu manipulieren.

Sie fanden dabei heraus, dass sich Elektronen in diesem reinen Graphen praktisch störungsfrei bewegen können – ähnlich wie Lichtstrahlen. Um die Elektronen von einem bestimmten Ort zu einem andern zu leiten, planten sie, die Elektronen aktiv entlang einer vorgegebenen Spur im Material zu führen.

Elektrisches und magnetisches Feld kombiniert
Dies ist den Basler Wissenschaftlern nun erstmals gelungen: Die Führung der Elektronen kann ein- und ausgeschaltet werden und verläuft vollkommen verlustlos. Der angewendete Mechanismus basiert auf einer Eigenschaft, die nur in Graphen vorkommt. Durch die Kombination eines elektrischen und eines magnetischen Felds bewegen sich die Elektronen auf einer Schlangenlinie (englisch „snake state“). Die Linie krümmt sich einmal nach rechts, dann wieder nach links. Dieser Wechsel lässt sich durch die Abfolge einer positiven und negativen Masse erklären – ein Phänomen, das nur in Graphen zu realisieren ist und als neuartiger Schalter verwendet werden könnte.

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„Ein solcher Nano-Schalter in Graphen ließe sich in verschiedenste Geräte einbauen und allein durch Veränderung des Magnetfelds oder des elektrischen Feldes bedienen“, kommentiert Prof. Christian Schönenberger diese neusten Ergebnisse seiner Gruppe. An der in „Nature Communications“ veröffentlichen Studie waren auch Physikerteams aus Regensburg, Budapest und Grenoble beteiligt.

Material mit besonderen Eigenschaften
Graphen ist ein ganz besonderes Material mit vielversprechenden Eigenschaften. Es besteht aus nur einer einzigen Lage von Kohlenstoffatomen, ist aber trotzdem mechanisch sehr belastbar und beständig. Vor allem durch seine herausragende elektrische Leitfähigkeit ist Graphen zum Forschungsobjekt zahlreicher Wissenschaftlerteams in der ganzen Welt geworden.

Die besonderen Eigenschaften des Materials wurden theoretisch schon vor Jahrzehnten untersucht. Erst 2004 gelang es aber den beiden Physikern Andre Geim und Kostya Novoselov, Graphen für experimentelle Untersuchungen herzustellen. Die beiden Forscher lösten damals mithilfe von Tesafilm einzelne zweidimensionale Graphenschichten vom Ausgangsmaterial Graphit ab. Sie bekamen für diese scheinbar so einfache Methode, welche die experimentelle Erforschung von Graphen erst ermöglichte, 2010 den Physiknobelpreis. Seither haben Forschende weltweit den Herstellungsprozess in einem rasenden Tempo perfektioniert.

Originalbeitrag:
Peter Rickhaus, Peter Makk, Ming-Hao Liu, Endre Tovari, Markus Weiss, Romain Maurand, Klaus Richter, and Christian Schönenberger: Snake trajectories in ultraclean graphene p–n junctions. Nature Communications 6:6470, published 3 March 2015, DOI: 10.1038/ncomms7470.

Weitere Auskünfte
Prof. Dr. Christian Schönenberger
Universität Basel/Swiss Nanoscience Institute
E-Mail: christian.schoenenberger@unibas.ch

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