Graphen enthüllt weiterhin seine Geheimnisse
Ein Team von Forschern der Universität Manchester hat in einer Arbeit in der Zeitschrift Nature eine magnetoresistente Eigenschaft von Graphen unter Umgebungsbedingungen berichtet. Materialien, die ihre elektrische Widerstandsfähigkeit bei Magnetfeldern stark verändern, sind für verschiedene Anwendungen hoch begehrt. Solche Materialien sind jedoch selten, und die meisten Metalle und Halbleiter ändern ihre elektrische Widerstandsfähigkeit nur um einen winzigen Bruchteil eines Prozents bei Raumtemperatur und in praktisch brauchbaren Magnetfeldern (typischerweise um weniger als eine Millionstel eines Prozents). Um eine starke magnetoresistente Antwort zu beobachten, müssen Forscher Materialien in der Regel auf Flüssig-Helium-Temperaturen abkühlen, damit ihre Elektronen weniger streuen und sogenannten Zyklotron-Trajektorien folgen können.
Jetzt hat das Forscherteam der Universität Manchester unter der Leitung von Sir Andre Geim festgestellt, dass Graphen – ein Material, das in den letzten zwei Jahrzehnten in jeder Einzelheit studiert zu sein schien – eine bemerkenswert starke magnetoresistente Antwort zeigt. Diese kann unter Umgebungsbedingungen auf über 100 % erreichen, was unter allen bekannten Materialien einen Rekord darstellt.
„Leute, die an Graphen wie ich arbeiten, haben immer das Gefühl gehabt, dass diese Goldmine der Physik längst erschöpft sein sollte“, sagt Geim. „Das Material widerlegt uns kontinuierlich und findet immer wieder eine neue Inkarnation. Heute muss ich wieder zugeben, dass Graphen tot ist, es lebe Graphen.“
Um diese neuartige Eigenschaft zu entdecken, stimmten die Forscher hochwertiges Graphen auf seinen intrinsischen, jungfräulichen Zustand ab, in dem nur Ladungsträger durch Temperatur angeregt werden. Dadurch entstand ein Plasma aus schnell bewegenden ‚Dirac-Fermionen‘, das trotz häufiger Streuung eine überraschend hohe Mobilität aufwies. Die hohe Mobilität und Neutralität dieses Dirac-Plasmas sind beide entscheidende Komponenten in der gemeldeten Riesenmagnetoresistenz.
„Über die letzten 10 Jahre hat sich die elektronische Qualität von Graphen-Geräten dramatisch verbessert, und jeder scheint sich darauf zu konzentrieren, neue Phänomene bei tiefen, flüssigen Helium-Temperaturen zu finden und zu ignorieren, was unter Umgebungsbedingungen passiert“, sagt Alexey Berdyugin, der entsprechende Autor der Arbeit. „Das ist vielleicht nicht so überraschend, denn je kühler Ihre Probe ist, desto interessanter wird in der Regel ihr Verhalten. Wir haben uns entschlossen, die Hitze hochzudrehen, und unerwartet tauchte eine ganze Fülle von unerwarteten Phänomenen auf.“
Neben der Rekord-Magnetoresistivität fanden die Forscher auch heraus, dass bei erhöhten Temperaturen neutrales Graphen zu einem sogenannten „seltsamen Metall“ wird. Das ist der Name, der Materialien gegeben wird, bei denen die Elektronenstreuung unglaublich schnell wird und nur noch durch das Heisenberg’sche Unschärfeprinzip bestimmt wird. Das Verhalten von seltsamen Metallen ist schlecht verstanden und bleibt derzeit weltweit ein Rätsel.
Die Arbeit aus Manchester trägt noch mehr Rätsel in das Feld, indem sie zeigt, dass Graphen eine riesige lineare Magnetoresistenz bei Magnetenfeldern über ein paar Tesla aufweist, die schwach temperaturabhängig ist. Dieser Hochfeldmagnetowiderstand ist wiederum rekordverdächtig. Das Phänomen des linearen Magnetowiderstands ist seit über einem Jahrhundert ein Rätsel, seit es erstmals beobachtet wurde. Die aktuelle Arbeit aus Manchester liefert wichtige Hinweise auf die Ursprünge des seltsamen Metallverhaltens und des linearen Magnetoresistenz. Vielleicht können diese Geheimnisse jetzt endlich dank Graphen gelöst werden, da es ein saub
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