Neuartiger Quanteneffekt in hauchdünnem Kohlenstoff entdeckt

Normalerweise hängt der elektrische Widerstand eines Materials stark von dessen Abmessungen und elementarer Beschaffenheit ab. Unter besonderen Umständen kann der Widerstand jedoch einen festen, also 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. Die Ergebnisse der Studie sind in der Fachzeitschrift Nature erschienen.

Das Team aus Universität Göttingen, Ludwig-Maximilians-Universität München und der Universität von Texas (Dallas) verwendete dabei zweilagiges 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 Prof. Dr. Thomas Weitz vom I. Physikalisches Institut der Universität Göttingen.

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.

Originalveröffentlichung: Weitz et al. Quantum anomalous Hall octet driven by orbital magnetism in bilayer graphene. Nature 2021. Doi: 10.1038/s41586-021-03849-w (Preprint unter https://arxiv.org/abs/2107.06915)

Kontakt:

Prof. Dr. Thomas Weitz

Georg-August-Universität Göttingen

I. Physikalisches Institut

Friedrich-Hund-Platz 1, 37077 Göttingen

Telefon: 0551-39-27607

E-Mail: thomas.weitz@uni-goettingen.de

Prof. Dr. Fan Zhang

Department of Physics

University of Texas at Dallas

Richardson, TX, 75080, USA

E-Mail: Zhang@utdallas.edu