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16.12.2014 | Werkstofftechnik | Im Fokus | Onlineartikel

Magnetfeld und Laser entlocken Graphen ein Geheimnis

Autor:
Dieter Beste

Wissenschaftler haben erstmals die Dynamik von Elektronen des Graphen in einem starken Magnetfeld untersucht. Dabei entdeckten sie ein scheinbar paradoxes Phänomen im Material, das in Zukunft den Bau von neuartigen Lasern ermöglichen könnte.

Graphen ist reißfester als Stahl und leitet Strom und Wärme besser als Kupfer. Als zweidimensionale Schicht, die nur aus einer Lage an Kohlenstoff-Atomen besteht, ist es aber zugleich auch flexibel, fast durchsichtig und rund eine Million Mal dünner als ein Blatt Papier. Wahrhaftig ein „Wunderstoff“ der Materialwissenschaft und Ausgangspunkt technischer Entwicklungen, die noch vor wenigen Jahren nicht denkbar waren. „Ob Supraleiter, Organische Halbleiter oder Graphen: Gerade in den vergangenen Jahren wurden mehrere Nobelpreise verliehen für die Entwicklung neuer Materialien“, halten die Springer-Autoren Marc-Denis Weitze und Christina Berger in „Werkstoffe“ auf Seite 95 fest.

Schon kurz nach seiner Entdeckung vor zehn Jahren erkannten Wissenschaftler, dass sich die Energiezustände von Graphen im Magnetfeld – die sogenannten Landau-Niveaus (siehe etwa das Kapitel „Atom- und Kernphysik“) – anders verhalten als die von Halbleitern. „Es wurden zwar viele faszinierende Effekte von Graphen in Magnetfeldern entdeckt, aber die Dynamik von Elektronen hat bislang niemand in einem solchen System untersucht“, erklärt Stephan Winnerl vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR).

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Die HZDR-Forscher setzten das Graphen einem vier Tesla starken Magnetfeld aus – 40 Mal stärker als ein bekannter Hufeisenmagnet. Das genügt, um Elektronen im Graphen dazu zu bringen, nur noch ganz bestimmte Energiezustände einzunehmen. Die negativ geladenen Teilchen werden so gewissermaßen auf Bahnen gezwungen. Diese Energieniveaus wurden dann mit Lichtpulsen des Freie-Elektronen-Lasers (FEL) am HZDR untersucht.

Elektronen werden umsortiert

Das Ergebnis der Versuche verblüffte die Wissenschaftler. Nach und nach leerte sich ausgerechnet das Energieniveau, in welches per Laser stets neue Elektronen gepumpt wurden. Den paradox wirkenden Effekt veranschaulicht Winnerl an einem Alltagsbeispiel: „Man stelle sich vor, eine Bibliothekarin sortiert Bücher in einem Regal mit drei Böden um. Sie stellt jeweils ein Buch vom unteren Boden in den mittleren. Gleichzeitig ‚hilft‘ ihr Sohn, indem er immer zwei Bücher aus der Mitte nimmt und eins davon in den oberen, das andere in den unteren Boden stellt. Der Junge macht das so eifrig, dass die Anzahl der Bücher im mittleren Boden abnimmt, obwohl seine Mutter ja gerade diesen Boden neu füllen möchte.“

Da es zu solchen Dynamiken zuvor weder Experimente noch Theorien gab, hatten die Dresdner Physiker anfangs Probleme, die Signale richtig zu deuten. Doch nach einigen Versuchen fanden sie eine Erklärung: Stoßprozesse zwischen Elektronen verursachen das ungewöhnliche Umsortieren. „Dieser Effekt ist als Auger Streuung schon länger bekannt, doch niemand hätte erwartet, dass er so stark ist und ein Energieniveau immer leerer räumt“, erläutert Winnerl. Diese neue Entdeckung könnte in Zukunft für die Entwicklung eines Lasers genutzt werden, der Licht mit beliebig einstellbarer Wellenlänge im Infrarot- und Terahertz-Bereich produzieren kann.

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Quelle:
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