Wundermaterial Graphen beansprucht einen weiteren Superlativ
In einer in Nature veröffentlichten Arbeit berichten Forscher der Universität Manchester über einen rekordverdächtigen Magnetwiderstand, der in Graphen unter Umgebungsbedingungen auftritt.
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Materialien, die ihren Widerstand unter magnetischen Feldern stark verändern, sind für verschiedene Anwendungen sehr begehrt. So enthält beispielsweise jedes Auto und jeder Computer viele winzige magnetische Sensoren. Solche Materialien sind selten, und die meisten Metalle und Halbleiter ändern ihren elektrischen Widerstand bei Raumtemperatur und in praktisch lebensfähigen Magnetfeldern nur um einen winzigen Bruchteil eines Prozents (typischerweise um weniger als ein Millionstel 1%). Um eine starke Magnetowiderstandsreaktion zu beobachten, kühlen die Forscher die Materialien normalerweise auf die Temperatur von flüssigem Helium ab, damit die Elektronen im Inneren weniger streuen und Zyklotronbahnen folgen können.
Nun hat ein Forscherteam unter der Leitung von Professor Sir Andre Geim herausgefunden, dass das gute alte Graphen, das in den letzten zwei Jahrzehnten bis ins kleinste Detail untersucht worden zu sein schien, eine bemerkenswert starke Reaktion zeigt, die in Magnetfeldern von Standard-Permanentmagneten (von etwa 1.000 Gauß) über 100% erreicht. Dies ist ein Rekord an Magnetwiderstand unter allen bekannten Materialien.
Zu dieser jüngsten Graphen-Entdeckung sagte Sir Andre Geim: "Leute, die wie ich an Graphen arbeiten, waren immer der Meinung, dass diese Goldmine der Physik schon längst ausgeschöpft sein müsste. Das Material beweist uns immer wieder das Gegenteil, indem es eine weitere Inkarnation findet. Heute muss ich erneut zugeben, dass Graphen tot ist, es lebe Graphen".
Um dies zu erreichen, verwendeten die Forscher hochwertiges Graphen und stellten es auf seinen intrinsischen, jungfräulichen Zustand ein, in dem es nur durch die Temperatur angeregte Ladungsträger gibt. So entstand ein Plasma aus sich schnell bewegenden "Dirac-Fermionen", das trotz häufiger Streuung eine überraschend hohe Mobilität aufwies. Sowohl die hohe Mobilität als auch die Neutralität dieses Dirac-Plasmas sind entscheidende Komponenten für den berichteten Riesenmagnetowiderstand.
"In den letzten zehn Jahren hat sich die elektronische Qualität von Graphen-Bauelementen dramatisch verbessert, und jeder scheint sich darauf zu konzentrieren, neue Phänomene bei niedrigen Flüssighelium-Temperaturen zu finden, und ignoriert, was unter Umgebungsbedingungen passiert. Das ist vielleicht nicht so überraschend, denn je kühler die Probe ist, desto interessanter ist in der Regel ihr Verhalten. Wir haben uns entschlossen, die Temperatur zu erhöhen, und unerwartet kamen eine ganze Reihe unerwarteter Phänomene zum Vorschein", sagt Dr. Alexey Berdyugin, der korrespondierende Autor der Arbeit.
Neben der rekordverdächtigen Magnetwiderstandsfähigkeit haben die Forscher auch festgestellt, dass neutrales Graphen bei erhöhten Temperaturen zu einem so genannten "seltsamen Metall" wird. So nennt man Materialien, bei denen die Elektronenstreuung sehr schnell ist und nur durch die Heisenbergsche Unschärferelation bestimmt wird. Das Verhalten von seltsamen Metallen ist kaum verstanden und bleibt ein Rätsel, das derzeit weltweit untersucht wird.
Die Arbeit aus Manchester trägt zu diesem Rätsel bei, indem sie zeigt, dass Graphen bei Feldern über einigen Tesla einen riesigen linearen Magnetowiderstand aufweist, der schwach temperaturabhängig ist. Dieser Hochfeld-Magnetowiderstand ist ebenfalls rekordverdächtig.
Das Phänomen des linearen Magnetowiderstands ist seit mehr als einem Jahrhundert, seit es erstmals beobachtet wurde, ein Rätsel geblieben. Die aktuelle Arbeit von Manchester liefert wichtige Hinweise auf die Ursprünge des seltsamen Metallverhaltens und des linearen Magnetowiderstands. Vielleicht können die Rätsel dank Graphen nun endlich gelöst werden, da es ein sauberes, gut charakterisiertes und relativ einfaches elektronisches System darstellt.
"Undotiertes hochwertiges Graphen bei Raumtemperatur bietet die Möglichkeit, ein völlig neues System zu erforschen, das im Prinzip schon vor einem Jahrzehnt entdeckt werden konnte, aber irgendwie von allen übersehen wurde. Wir planen, dieses seltsame Metallregime zu untersuchen, und es werden sicherlich weitere interessante Ergebnisse, Phänomene und Anwendungen folgen", fügt Dr. Leonid Ponomarenko, einer der Hauptautoren des Nature-Artikels , hinzu.
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