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Universität Basel

03. März 2015

Graphen-Forschung: 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. Die Forscher um Prof. Christian Schönenberger vom Swiss Nanoscience Institute und dem Departement Physik der Universität Basel veröffentlichen ihre Ergebnisse mit europäischen Kollegen im renommierten Wissenschaftsjournal «Nature Communications».

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.
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.

«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.

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