Forschung

Magnetisches Phänomen in Graphen

12.10.2021 - Intrinsisches Magnetfeld führt zur Quantisierung des elektrischen Widerstandes.

Normalerweise hängt der elektrische Widerstand eines Materials stark von dessen Abmessungen und elementarer Beschaffen­heit ab. Unter besonderen Umständen kann der Widerstand jedoch einen quantisierten, material­unabhängigen Wert annehmen. Diese Quantisierung des elektrischen Widerstands tritt normaler­weise bei hohen Magnetfeldern und tiefen Temperaturen auf, wenn Elektronen sich in einem zweidimensionalen System bewegen. Nun ist es einem Forschungsteam unter Leitung der Universität Göttingen gelungen, diesen Effekt in natürlich vor­kommendem Doppellagen-Graphen, welches nur zwei Atomlagen dünn ist, in der Abwesenheit eines Magnet­feldes nachzuweisen.

Das Team aus Universität Göttingen, Ludwig-Maximilians-Universität München und der Universität von Texas in Dallas verwendete dabei doppelt­lagiges Graphen in seiner natürlichen Anordnung. Die Graphen-Flocken werden dann mit einfachen Mikrostruktur­verfahren kontaktiert und freischwebend gemacht, wodurch die Flocke als Brücke zwischen zwei Metall­kontakten stehen bleibt. Die extrem sauberen Graphen-Doppellagen zeigen bei tiefen Temperaturen und nahezu verschwin­denden Magnetfeldern eine Quantisierung des elektrischen Widerstandes. Zudem wird der Strom ohne Verluste transportiert. Die Ursache ist eine Form von Magnetismus, der nicht wie in konven­tionellen Magneten durch die gemeinsame Ausrichtung der Eigen­drehimpulse der Ladungsträger verursacht wird, sondern durch die Bewegung der Ladungsträger in der Graphen-Doppellage selbst. „Anders gesagt, die Teilchen erzeugen ihr eigenes intrin­sisches Magnetfeld, was zu der Quantisierung des elektrischen Widerstandes führt“, sagt der Göttinger Physiker Thomas Weitz.

Besonders an dem Effekt ist, dass er nicht nur ein elektrisches Feld benötigt, sondern auch in achtfacher Ausführung auftritt. Daraus ergibt sich ein hohes Maß an Kontrolle, denn der Effekt lässt sich an- sowie ausschalten und die Bewegungs­richtung der Ladungsträger umkehren. „So können wir sehr einfach nachprüfen, ob der Effekt auftritt oder wie er sich genau mani­festiert. Dies macht es für mögliche Anwendungen beispielsweise bei der Entwicklung neuartiger Computer­bausteine im Bereich der Spintronik interessant“, so Weitz. „Zudem ist es von Vorteil, dass wir den Effekt in einem doch recht einfachen, und natürlich vorkommendem Material­system zeigen können. Ganz anders als bei jüngst populär gewordenen komplexen Hetero­strukturen, die eine präzise Zusammensetzung aus verschiedenen Materialien verlangen.“

Zunächst muss der Effekt jedoch weiter untersucht werden, und es müssen Möglichkeiten gefunden werden, den Effekt bei höheren Temperaturen zu stabi­lisieren, denn momentan tritt er nur bis fünf Grad über dem absoluten Nullpunkt, der bei minus 273 Grad Celsius liegt, auf.

U. Göttingen / JOL

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