Spin-Kontrolle in Graphen

  • 19. September 2017

Detaillierte Analyse der starken Spin-Bahn-Wechselwirkung mit Gold-Clustern.

Graphen besitzt verblüffende Eigen­schaften und ist vielseitig verwendbar. Mit einem Trick lassen sich sogar die Spins im Graphen kontrol­lieren. Physiker vom Helmholtz-Zentrum Berlin HZB haben dafür eine Lage Graphen auf einem Nickel­substrat aufgebracht und Goldatome dazwischen einge­schleust. Nun konnten sie zeigen, warum dies sich derartig stark auf die Spins auswirkt. Graphen kommt so auch als Material für künftige Informations­technologien infrage, die auf der Verarbeitung von Spins als Informations­einheiten basieren.

Abb.: Diese Aufnahme eines Rastertunnelmikroskops zeigt, wie sich Graphen über den Goldclustern wölbt und ein regelmäßiges Muster bildet.(Bild: HZB)

Abb.: Diese Aufnahme eines Rastertunnelmikroskops zeigt, wie sich Graphen über den Goldclustern wölbt und ein regelmäßiges Muster bildet.(Bild: HZB)

Im Graphen können die Spins der Leitungs­elektronen über­raschender­weise sehr gut kontrol­liert werden. Denn bringt man eine Lage Graphen auf ein Nickel­substrat auf und schiebt Goldatome dazwischen, dann erhöht sich die Spin-Bahn-Wechsel­wirkung dramatisch um den Faktor 10.000, sodass sich die Ausrichtung der Spins durch äußere Felder beein­flussen lässt. Dass dies funk­tioniert hatten die Physiker um Andrei Varykhalov am HZB bereits mehrfach demons­triert. Allerdings war nicht klar, warum die Präsenz der Goldatome sich derartig stark auf das Verhalten der Spinauf­spaltung im Graphen auswirkt.

„Wir wollten daher heraus­finden, wie es dazu kommt, dass die hohe Spin-Bahn-Wechsel­wirkung, die für Gold charak­teristisch ist, sich auf das Graphen überträgt“, sagt Varykhalov. Nun zeigen die Physiker, dass sich die Goldatome in der Zwischen­schicht nicht ganz gleich­mäßig, sondern in kleinen Grüppchen oder Clustern auf dem Nickel-Substrat verteilen. Diese Gold-Cluster bilden wiederum ein regel­mäßiges Muster unter dem Graphen. Dazwischen bleiben Nickel­atome frei. Das Graphen bindet stark zum Nickel und wölbt sich so deutlich über den Gold-Clustern.

„Es sieht fast so aus wie ein Polster eines Chester­field-Sofas”, erklärt Varykhalov. „An den Punkten, an denen Gold und Kohlen­stoff in enge Berührung kommen, entsteht die extrem hohe Spin-Bahn-Wechsel­wirkung, die wir beobachten. Dieses Ergebnis wird durch Raster­tunnelmikro­skopie und Dichte­funktions­analysen gestützt“.

HZB / JOL

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