Graphen hat erneut für Überraschungen gesorgt: Durch bloßes Dehnen und Komprimieren von Nanoblasen dieser Kohlenstoffform haben Forscher extrem starke pseudo-magnetische Felder erzeugt. In diesen verhielten sich Elektronen wie unter dem Einfluss von 300 Tesla – mehr als den stärksten jemals im Labor erzeugten Magnetfeldern. Diese jetzt in „Science“ veröffentlichte Methode eröffnet ganz neue Möglichkeiten der gezielten Verhaltensbeeinflussung von Elektronen.
Magnetfelder beeinflussen nicht nur Metalle, sie verändern auch das Verhalten von Elektronen. Bisher allerdings war es nicht möglich, im Labor stärkere Magnetfelder als rund 85 Tesla zu erzeugen – und auch dies nur für Sekundenbruchteile. Zum Vergleich: Magnetresonanztomografen nutzen ein Magnetfeld von rund zehn Tesla, das Magnetfeld der Erde misst auf Höhe der Erdoberfläche gerade einmal 31 Mikrotesla. Doch jetzt ist es Physikern der Universität von Kalifornien in Berkeley und des Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) gelungen, im Labor Elektronen zu einem Verhalten zu bringe, dass normalerweise nur in extrem starken Magnetfeldern auftritt.
Dehnung erzeugt Nanobläschen
Entdeckt wurde dieser Effekt durch Zufall während eines Experiments, bei dem ein Doktorand Graphen auf der Oberfläche eines Platinkristalls „wachsen“ ließ. Graphen ist eine Kohlenstoffform, bei der die Atome ähnlich einem Maschendrahtzaun in einer einatomigen Schicht in sechseckiger Formation angeordnet sind. Wenn sie auf Platin gezüchtet werden, liegen die Atome des Graphens nicht an allen Stellen eben auf der Kristallstruktur des Metalls auf, dadurch entstehen Spannungen – ähnlich wie in einer Gummihaut, die straff über einen unebenen Gegenstand gespannt wird.
Kreisende Elektronen mit gequantelten Energien
Diese Zugspannungen erzeugen winzige, dreieckige Graphenbläschen von vier bis zehn Nanometern Größe, in denen sich, wie sich herausstellte, die Elektronen auf äußerst ungewöhnliche Weise verhalten. Ihre Energien nehmen keine breiten Bereiche ein, wie normalerweise bei Graphen üblich, sondern sind in getrennte, gequantelte Energieblöcke aufgeteilt ein Verhalten, wie es sonst nur in extrem starken Magnetfeldern üblich ist.
In Magnetfeldern bewegen sich die Elektronen normalerweise spiralförmig um die Magnetfeldlinien. In den gedehnten Nanobläschen des Graphens zeigten sie ebenfalls charakteristische Kreisbewegungen, als wenn ein Magnetfeld von rund 300 Tesla senkrecht zur Atomschicht des Graphens einwirken würde. Doch es gab kein Magnetfeld – offenbar handelt es sich um ein Pseudomagnetfeld, einen Effekt, der im Unterschied zu echten Magnetfeldern nur die Bewegung der Elektronen beeinflusst, nicht aber andere Eigenschaften der Teilchen, wie den Spin.
Neue Möglichkeiten der Elektronenkontrolle
„Dies gibt uns neue Möglichkeiten, die Bewegung von Elektronen in Graphen durch Dehnung zu kontrollieren und damit auch die elektronischen Eigenschaften des Graphens”, erklärt Michael Crommie, Professor für Physik an der Universität von Kalifornien in Berkeley und Forscher am LBNL. „Indem wir beeinflussen, wo sich die Elektronen sammeln und bei welcher Energie, können wir sie dazu bringen, sich leichter oder weniger leicht durch das Graphen zu bewegen und damit im Prinzip dessen Leitfähigkeit, optischen und Mikrowelleneigenschaften kontrollieren. Die Kontrolle der Elektronenbewegung ist ein essenzieller Teil jedes elektronischen Geräts.“
„Die Beobachtung dieser gewaltigen Pseudo-Magnetfelder öffnet eine Tür zu Raumtemperatur ‚Spraintronics‘ – der Idee, mechanische Deformationen in Graphen zu nutzen, um sein Verhalten für verschiedenen elektronische Anwendungen maßzuschneidern“, so Crommie weiter. Neben den praktischen Anwendungen dieser Entdeckung wollen die Forscher nun vor allem ausprobieren, wie sich diese ungewöhnliche Eigenschaft des Graphens nutzen lässt, um das Verhalten von Elektronen unter Feldstärken zu beobachten, die bisher nie unter Laborbedingungen erzeugt werden konnten. „Wenn man ein magnetisches Feld verstärkt, beginnt man sehr interessantes Verhalten zu sehen, weil die Elektronen sich dann in winzigen Kreisen drehen“, erklärt Crommie. „Dieser Effekt gibt uns eine ganz neue Möglichkeit, dieses Verhalten auszulösen, selbst in Abwesenheit eines echten Magnetfelds.“
Effekt bereits theoretisch vorhergesagt
Interessanterweise hatten Forscher aus Spanien, den Niederlanden und Großbritannien genau diesen Effekt – von ihnen „Pseudo-Quanten-Hall-Effekt“ getauft – bereits theoretisch vorhergesagt. „Theoretiker kommen häufig auf Ideen und erkunden sie theoretisch, bevor Experiment durchgeführt werden und manchmal kommen sie dabei auf Vorhersagen, die zunächst etwas verrückt erscheinen“, so Crommie. „Das Aufregende ist, dass wir nun Daten haben, die zeigen, dass diese Ideen gar nicht so verrückt sind.“
(LBL, 02.08.2010 – NPO)
