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 Proteintransport - Stau in der Zelle
24.03.2017 | Ludwig-Maximilians-Universität München

nachricht Neuartige Halbleiter-Membran-Laser
22.03.2017 | Universität Stuttgart

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: Wegweisende Erkenntnisse für die Biomedizin: NAD⁺ hilft bei Reparatur geschädigter Erbinformationen

Eine internationale Forschergruppe mit dem Bayreuther Biochemiker Prof. Dr. Clemens Steegborn präsentiert in 'Science' neue, für die Biomedizin wegweisende Forschungsergebnisse zur Rolle des Moleküls NAD⁺ bei der Korrektur von Schäden am Erbgut.

Die Zellen von Menschen und Tieren können Schäden an der DNA, dem Träger der Erbinformation, bis zu einem gewissen Umfang selbst reparieren. Diese Fähigkeit...

Im Focus: Designer-Proteine falten DNA

Florian Praetorius und Prof. Hendrik Dietz von der Technischen Universität München (TUM) haben eine neue Methode entwickelt, mit deren Hilfe sie definierte Hybrid-Strukturen aus DNA und Proteinen aufbauen können. Die Methode eröffnet Möglichkeiten für die zellbiologische Grundlagenforschung und für die Anwendung in Medizin und Biotechnologie.

Desoxyribonukleinsäure – besser bekannt unter der englischen Abkürzung DNA – ist die Trägerin unserer Erbinformation. Für Prof. Hendrik Dietz und Florian...

Im Focus: Fliegende Intensivstationen: Ultraschallgeräte in Rettungshubschraubern können Leben retten

Etwa 21 Millionen Menschen treffen jährlich in deutschen Notaufnahmen ein. Im Kampf zwischen Leben und Tod zählt für diese Patienten jede Minute. Wenn sie schon kurz nach dem Unfall zielgerichtet behandelt werden können, verbessern sich ihre Überlebenschancen erheblich. Damit Notfallmediziner in solchen Fällen schnell die richtige Diagnose stellen können, kommen in den Rettungshubschraubern der DRF Luftrettung und zunehmend auch in Notarzteinsatzfahrzeugen mobile Ultraschallgeräte zum Einsatz. Experten der Deutschen Gesellschaft für Ultraschall in der Medizin e.V. (DEGUM) schulen die Notärzte und Rettungsassistenten.

Mit mobilen Ultraschallgeräten können Notärzte beispielsweise innere Blutungen direkt am Unfallort identifizieren und sie bei Bedarf auch für Untersuchungen im...

Im Focus: Gigantische Magnetfelder im Universum

Astronomen aus Bonn und Tautenburg in Thüringen beobachteten mit dem 100-m-Radioteleskop Effelsberg Galaxienhaufen, das sind Ansammlungen von Sternsystemen, heißem Gas und geladenen Teilchen. An den Rändern dieser Galaxienhaufen fanden sie außergewöhnlich geordnete Magnetfelder, die sich über viele Millionen Lichtjahre erstrecken. Sie stellen die größten bekannten Magnetfelder im Universum dar.

Die Ergebnisse werden am 22. März in der Fachzeitschrift „Astronomy & Astrophysics“ veröffentlicht.

Galaxienhaufen sind die größten gravitativ gebundenen Strukturen im Universum, mit einer Ausdehnung von etwa zehn Millionen Lichtjahren. Im Vergleich dazu ist...

Im Focus: Giant Magnetic Fields in the Universe

Astronomers from Bonn and Tautenburg in Thuringia (Germany) used the 100-m radio telescope at Effelsberg to observe several galaxy clusters. At the edges of these large accumulations of dark matter, stellar systems (galaxies), hot gas, and charged particles, they found magnetic fields that are exceptionally ordered over distances of many million light years. This makes them the most extended magnetic fields in the universe known so far.

The results will be published on March 22 in the journal „Astronomy & Astrophysics“.

Galaxy clusters are the largest gravitationally bound structures in the universe. With a typical extent of about 10 million light years, i.e. 100 times the...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Rund 500 Fachleute aus Wissenschaft und Wirtschaft diskutierten über technologische Zukunftsthemen

24.03.2017 | Veranstaltungen

Lebenswichtige Lebensmittelchemie

23.03.2017 | Veranstaltungen

Die „Panama Papers“ aus Programmierersicht

22.03.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Rund 500 Fachleute aus Wissenschaft und Wirtschaft diskutierten über technologische Zukunftsthemen

24.03.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Förderung des Instituts für Lasertechnik und Messtechnik in Ulm mit rund 1,63 Millionen Euro

24.03.2017 | Förderungen Preise

TU-Bauingenieure koordinieren EU-Projekt zu Recycling-Beton von über sieben Millionen Euro

24.03.2017 | Förderungen Preise