Künstliches Magnetfeld erzeugt exotisches Verhalten in Graphenschichten

04.12.2018 - Brasilien

Eine einfache Schicht Graphen hat bemerkenswerte Eigenschaften aufgrund eines Quantenphänomens in seiner Elektronenstruktur namens Dirac-Kegel nach dem britischen theoretischen Physiker Paul Dirac (1902-1984), der 1933 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet wurde.

Noch interessanter wird das System, wenn es aus zwei übereinander liegenden Graphenschichten besteht und eine davon in ihrer eigenen Ebene sehr leicht gedreht wird, so dass die Löcher in den beiden Kohlenstoffgittern nicht mehr vollständig übereinstimmen.

Für bestimmte Verdrehwinkel zeigt das zweischichtige Graphensystem exotische Eigenschaften wie Supraleitung (Nullwiderstand zum elektrischen Stromfluss).

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Eine neue Studie der brasilianischen Physikerin Aline Ramires mit Jose Lado, einem in Spanien geborenen Forscher an der Eidgenössischen Technischen Hochschule (ETH Zürich), zeigt, dass die Anwendung eines elektrischen Feldes auf ein solches System einen Effekt erzeugt, der mit dem eines extrem intensiven Magnetfeldes an zwei ausgerichteten Graphenplatten identisch ist.

Ramires ist Forscher am Institut für Theoretische Physik der São Paulo State University (IFT-UNESP) und am Südamerikanischen Institut für Grundlagenforschung (ICTP-SAIFR). Sie wird von der São Paulo Research Foundation - FAPESP durch ein Young Investigator Stipendium unterstützt.

"Ich habe die Analyse durchgeführt, und sie wurde von Lado rechnerisch verifiziert", sagte Ramires. "Es ermöglicht die Steuerung der elektronischen Eigenschaften von Graphen durch elektrische Felder, wodurch künstliche, aber effektive Magnetfelder erzeugt werden, die weitaus größer sind als die der realen Magnetfelder, die angelegt werden können."

Die beiden Graphenschichten müssen nahe genug beieinander liegen, damit die elektronischen Orbitale des einen mit den elektronischen Orbitalen des anderen interagieren können, erklärte sie.

Das bedeutet eine Trennung bis etwa zu einem Angström (10-10 Meter oder 0,1 Nanometer), das ist der Abstand zwischen zwei Kohlenstoffatomen im Graphen.

Eine weitere Anforderung ist ein kleiner Verdrehwinkel für jede Schicht im Vergleich zur anderen - unter einem Grad (α<<<1°).

Obwohl völlig theoretisch (analytisch und numerisch), hat die Studie ein klares technologisches Potenzial, da sie zeigt, dass ein vielseitiges Material wie Graphen in bisher unerforschten Systemen manipuliert werden kann.

"Die zuvor vorgeschlagenen künstlichen Magnetfelder basierten auf der Anwendung von Kräften zur Verformung des Materials. Unser Vorschlag ermöglicht es, die Erzeugung dieser Felder wesentlich genauer zu steuern. Das könnte praktische Anwendungen haben", sagte Ramires.

Die durch künstliche Magnetfelder induzierten exotischen Materiezustände sind mit dem Auftreten von "Pseudo-Landau-Werten" in Graphenschichten verbunden.

Landau-Level - benannt nach dem sowjetischen Physiker und Mathematiker Lev Landau (1908-1968), Nobelpreisträger für Physik 1962 - sind ein Quantenphänomen, bei dem elektrisch geladene Teilchen bei Vorhandensein eines Magnetfeldes nur Bahnen mit diskreten Energiewerten einnehmen können. Die Anzahl der Elektronen in jeder Landau-Ebene ist direkt proportional zur Größe des angelegten Magnetfeldes.

"Diese Zustände sind gut im Raum lokalisiert; wenn Partikel auf diesen Ebenen interagieren, sind die Wechselwirkungen viel intensiver als sonst. Die Bildung von Pseudo-Landau-Leveln erklärt, warum künstliche Magnetfelder exotische Eigenschaften wie Supraleitung oder Spinflüssigkeiten im Material hervorrufen", sagte Ramires.