Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

FAU-Forscher kommen ungewöhnlichem Verhalten des elektrischen Widerstands auf die Spur

23.06.2015

Graphen – eine einzelne atomar dünne Lage des Alltagsmaterials Graphit – ist für viele Überraschungen gut. Für die Entdeckung dieses Materials wurde 2010 der Nobelpreis für Physik vergeben. Bei der Untersuchung der Doppellage von Graphen gab es nun eine spannende Beobachtung, die den Schlüssel zu einem rätselhaften Phänomen der Festkörperphysik liefert: ein ungewöhnliches Verhalten des elektrischen Widerstands im Magnetfeld. FAU-Forscher können dies nun erklären.

Beim Zusammenbringen der zwei atomar dünnen Graphenlagen bilden sich auf atomarer Skala kleinstmögliche Falten, die das Material in der Fläche in ein Mosaik zerteilen. Der elektrische Strom geht im Magnetfeld verschlungene Wege durch dieses Mosaik, was das ungewöhnliche Phänomen hervorruft. Ihre Erkenntnisse veröffentlichten Wissenschaftler der FAU jetzt in der renommierten Fachzeitschrift Nature Physics.*

Legt man an ein Material ein Magnetfeld an, reagiert der elektrische Widerstand in fast allen Materialien gleich: Er wächst mit der Erhöhung der Magnetfeldstärke in Form einer Parabel. Es gibt jedoch in der Literatur sporadisch Gegenbeispiele aus unterschiedlichsten Materialklassen, in denen sich ganz überraschend der Widerstand nicht parabolisch, sondern linear verhält – er wächst also direkt proportional zur Größe des Magnetfelds.

Warum dies so ist, gab den Forschern Jahrzehnte lang Rätsel auf – vermutet wurde, auf Grund der Unabhängigkeit von der Materialklasse, ein sehr allgemeiner Mechanismus, der zuletzt der Körnigkeit des Materials zugeschrieben wurde.

Seit 2003 gibt es ein extrem vereinfachtes theoretisches Modell, das wohl den Kern des Effekts erfasst, aber nicht direkt mit Experimenten belegbar ist und viele Fragen offen lässt. Prof. Dr. Heiko B. Weber am Lehrstuhl für Angewandte Physik an der FAU und seine Arbeitsgruppe konnten nun ein Modellsystem finden, das zum Verständnis exakt dieses Phänomens führte. Ihre Beobachtung: In Doppellagen-Graphen verhält sich der Magnetowiderstand linear – anders als in einlagigem Graphen.

Doppellagiges Graphen ist eine zwei Atome dicke Schicht des Alltagsmaterials Graphit. Die Herstellung qualitativ hochwertigen, doppellagigen Graphens beherrschen die Erlanger Physiker seit vielen Jahren außergewöhnlich gut. Doch auch sie hat es überrascht, dass die Messung des Magnetowiderstandes in der Graphen-Doppellage ab einer Magnetfeldstärke von etwa 1 Tesla – das entspricht in etwa dem Magnetfeld eines modernen Neodym-Dauermagneten – plötzlich ein lineares Verhalten bei wachsendem Magnetfeld ergab.

Weber und sein Team wollten nun genau wissen, bis zu welcher Magnetfeldstärke dieser Effekt auftritt: Sie führten daher Messungen im Hochfeld-Magnetlabor Dresden am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf durch. Dort wurden die Materialproben für einige Millisekunden Magnetfeldern bis zu 70 Tesla ausgesetzt, das ist nahe an der Grenze des technisch Machbaren. Doch auch unter diesen extremen Umständen setzt sich das lineare Verhalten des Magnetowiderstands von Doppellagen-Graphen linear fort – ein robuster Effekt, so die Beobachtung der FAU-Forscher.

Daraufhin galt es, den Grund für dieses Verhalten zu identifizieren. Die vermutete Körnigkeit – die bislang immer als mögliche Ursache für lineares Verhalten des Widerstands herangezogen worden war – schien bei der augenscheinlich homogenen Graphen-Doppellage nicht gegeben.

Doch der (Augen-)schein trog: Bei der Beobachtung unter dem Transmissions-Elektronen-Mikroskop (TEM) in der Arbeitsgruppe um Prof. Dr. Erdmann Spiecker in Erlangen zeigte sich, dass Graphen, wenn es doppellagig ist, sehr wohl eine Körnigkeit aufweist. Der Grund: Es bilden sich auf atomarer Skala kleinstmögliche Falten in der doppelten Lage, sogenannte Partialversetzungen, durch die das Material als Mosaik erscheint.

Für die elektronischen Eigenschaften dieses Mosaiks entwickelte Dr. Sam Shallcross, Lehrstuhl für Festkörpertheorie an der FAU, ein quantenmechanisches Modell, das den elektronischen Übergang von einem Mosaikstein auf den anderen berechnet.

Überraschenderweise zieht jede Versetzungslinie eine sehr wirksame Barriere für den elektrischen Strom. Auf der Basis tatsächlicher, unter dem Mikroskop sichtbarer Versetzungslinien haben die Forscher die verschlungenen Strompfade im Magnetfeld berechnen können – und den genannten Effekt gefunden.

Graphen ist ein Material, das man im Mikroskop wie ein offenes Buch in allen Details betrachten kann. Solche Details sind der Schlüssel, um grundlegende Fragestellungen außergewöhnlicher Phänomene zu verstehen.

In diesem Fall ist doppellagiges Graphen das perfekte Modellsystem für einen mosaikartigen Leiter. Der Effekt eines linearen Magnetowiderstands wird wegen des explosiv zunehmenden Interesses an atomar dünnen Schichten in naher Zukunft in immer mehr Materialien sichtbar werden – und kann auf der Basis der Experimente von Prof. Weber und seinem Team als verstanden betrachtet werden.

*DOI: 10.1038/nphys3368


Ansprechpartner für die Medien:

Prof. Dr. Heiko B. Weber
Tel.: 09131/85-28421
heiko.weber@physik.uni-erlangen.de

Dr. Susanne Langer | idw - Informationsdienst Wissenschaft
Weitere Informationen:
http://www.fau.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Einmal durchleuchtet – dreifacher Informationsgewinn
11.12.2017 | Friedrich-Schiller-Universität Jena

nachricht Stabile Quantenbits
08.12.2017 | Universität Konstanz

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Scientists channel graphene to understand filtration and ion transport into cells

Tiny pores at a cell's entryway act as miniature bouncers, letting in some electrically charged atoms--ions--but blocking others. Operating as exquisitely sensitive filters, these "ion channels" play a critical role in biological functions such as muscle contraction and the firing of brain cells.

To rapidly transport the right ions through the cell membrane, the tiny channels rely on a complex interplay between the ions and surrounding molecules,...

Im Focus: Stabile Quantenbits

Physiker aus Konstanz, Princeton und Maryland schaffen ein stabiles Quantengatter als Grundelement für den Quantencomputer

Meilenstein auf dem Weg zum Quantencomputer: Wissenschaftler der Universität Konstanz, der Princeton University sowie der University of Maryland entwickeln ein...

Im Focus: Realer Versuch statt virtuellem Experiment: Erfolgreiche Prüfung von Nanodrähten

Mit neuartigen Experimenten enträtseln Forscher des Helmholtz-Zentrums Geesthacht und der Technischen Universität Hamburg, warum winzige Metallstrukturen extrem fest sind

Ultraleichte und zugleich extrem feste Werkstoffe – poröse Nanomaterialien aus Metall versprechen hochinteressante Anwendungen unter anderem für künftige...

Im Focus: Geburtshelfer und Wegweiser für Photonen

Gezielt Photonen erzeugen und ihren Weg kontrollieren: Das sollte mit einem neuen Design gelingen, das Würzburger Physiker für optische Antennen erarbeitet haben.

Atome und Moleküle können dazu gebracht werden, Lichtteilchen (Photonen) auszusenden. Dieser Vorgang verläuft aber ohne äußeren Eingriff ineffizient und...

Im Focus: Towards data storage at the single molecule level

The miniaturization of the current technology of storage media is hindered by fundamental limits of quantum mechanics. A new approach consists in using so-called spin-crossover molecules as the smallest possible storage unit. Similar to normal hard drives, these special molecules can save information via their magnetic state. A research team from Kiel University has now managed to successfully place a new class of spin-crossover molecules onto a surface and to improve the molecule’s storage capacity. The storage density of conventional hard drives could therefore theoretically be increased by more than one hundred fold. The study has been published in the scientific journal Nano Letters.

Over the past few years, the building blocks of storage media have gotten ever smaller. But further miniaturization of the current technology is hindered by...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Innovative Strategien zur Bekämpfung von parasitären Würmern

08.12.2017 | Veranstaltungen

Hohe Heilungschancen bei Lymphomen im Kindesalter

07.12.2017 | Veranstaltungen

Der Roboter im Pflegeheim – bald Wirklichkeit?

05.12.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Einmal durchleuchtet – dreifacher Informationsgewinn

11.12.2017 | Physik Astronomie

Kaskadennutzung auch bei Holz positiv

11.12.2017 | Agrar- Forstwissenschaften

Meilenstein in der Kreissägetechnologie

11.12.2017 | Energie und Elektrotechnik