Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Neuartige Stromsteuerung in einatomaren Kohlenstoffschichten

13.12.2012
Physiker aus Augsburg und Loughborough berichten in den Physical Review Letters über neue Erkenntnisse zum Verhalten und zu den Steuerungsmöglichkeiten von Ladungsträgern in einatomaren Kohlenstoffschichten.

m renommierten Fachjournal Physical Review Letters (109, 226602) berichten die Augsburger Physiker PD Dr. Wolfgang Häusler und Prof. Dr. Dr. h. c. mult. Peter Hänggi (beide Lehrstuhl für Theoretische Physik I) gemeinsam mit ihrem Kollegen Prof. Dr. Sergey E. Savel'ev von der Loughborough University über die jüngsten Ergebnisse ihrer Forschungen zu der Frage, wie Strom in Kohlenstoffschichten (Graphen) durch zeitlich veränderliche Potentialbarrieren hindurch transportiert wird.

Mit diesen Ergebnissen leisten sie einen wesentlichen Beitrag zum besseren Verständnis des Transmissionsverhaltens solcher Potentialbarrieren. Sie schaffen damit zugleich wichtige Voraussetzungen für eine Optimierung der Möglichkeiten, die an sich nur schwer manipulierbaren Graphen-Ladungsträger zu steuern, um so auf dem Weg zu einer "Graphen-basierten Elektronik" weiter voranzukommen.

Wenn es darum geht, zweidimensionale Elektronensysteme zu realisieren, gelten monoatomare Ebenen aus Kohlenstoff (Graphen) als eine der vielversprechendsten Alternativen zu den bisher in der Mikroelektronik verwendeten und nur mit hohem Aufwand zu produzierenden Halbleiter-Schichtstrukturen. Abgesehen von ihrer wesentlich einfacheren Herstellbarkeit haben Graphenschichten den Vorteil, dass ihre Elektronensysteme deutlich dünner und die Bewegungsgeschwindigkeiten der Ladungsträger deutlich schneller sind als diejenigen in Halbleitern, so dass sie kürzere Schaltzeiten erwarten lassen.

Für die Perspektive einer "Graphen-basierten Elektronik" von zentraler Bedeutung ist allerdings die Frage, welche Möglichkeiten elektrostatische Potentiale bieten, um Elektronensysteme in Graphenschichten auch bei hohen Frequenzen zu kontrollieren. Die Antworten, die sie auf diese Frage gefunden haben, geben Häusler, Hänggi und Savel'ev in dem am 30. November in den "Physical Review Letters" veröffentlichten Artikel "Current Resonances in Graphene with Time-Dependent Potential Barriers".

Seit längerem ist bekannt, dass Ladungsträger in einatomaren Kohlenstoffschichten ein äußerst ungewöhnliches "ultrarelativistisches" Bewegungsverhalten zeigen - ein Verhalten, das grob mit demjenigen von Photonen verglichen werden kann und ansonsten nur bei Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit zu beobachten ist. Dabei liegen die tatsächlichen Bewegungsgeschwindigkeiten der Graphen-Ladungsträger bei nur etwa einem Hundertstel der Lichtgeschwindigkeit und damit durchaus im Bereich des in Metallen Üblichen.

Als Folge ihres ungewöhnlichen Bewegungsverhaltens durchdringen Graphen-Elektronen statische Potentialbarrieren bei senkrechtem Auftreffen perfekt, wie entsprechende Experimente bestätigen. Dies erschwert die Steuerbarkeit der Ladungsträger erheblich, im Vergleich etwa zu "gewöhnlichen" Quantenteilchen in Halbleitern, die durch Potentialbarrieren zwar auch entkommen können, aber, bei Verwendung hoher und dicker Barrieren, eben nur mit ganz geringen Wahrscheinlichkeiten.

Dies wirft die Fragen auf, wie zeitliche Veränderungen der Potentialbarrieren die Tunnelwahrscheinlichkeiten beeinflussen und wie sich dementsprechend die Bewegungen der Ladungsträger durch die Kontrolle des Zeitverlaufes einer angelegten Gatterspannung steuern lassen. Häusler, Hänggi und Savel'ev konnten die Grundlagen für das Verständnis des Transmissionsverhaltens von Potentialbarrieren nun in zweierlei Hinsicht maßgeblich erweitern: Zum einen ermöglichen ihre Ergebnisse die Beantwortung der beiden genannten Fragen für beliebige Barrierenprofile in Verbindung mit beliebigen zeitlichen Änderungen; zum anderen lassen sich jetzt Tunnelwahrscheinlichkeiten auch für Ladungsträger berechnen, die nicht senkrecht, sondern unter beliebigen Einfallswinkeln auf die Barriere treffen. Damit ist die Voraussetzung geschaffen für eine gezielte Steuerung der Bewegungsrichtung von Graphen-Ladungsträgern, zum Beispiel durch eine entsprechende Veränderung der Frequenzen oszillierender Potentialbarrieren.

Gewissermaßen nebenbei ist das Forschertrio aus Augsburg und Loughborough auf ein interessantes, völlig unerwartetes Phänomen gestoßen, nämlich auf parallel zur Barriere laufende Ströme, die unter bestimmten Voraussetzungen sogar bei einem senkrechten Einfall des Ladungsträgers auftreten und deren theoretische Beschreibung eine verblüffende Analogie zum Josephson-Verhalten supraleitender Tunnelkontakte zeigt, obwohl Graphen natürlich nicht supraleitend ist.

Originalbeitrag:

Sergey E. Savel'ev, Wolfgang Häusler, and Peter Hänggi:
Current Resonances in Graphene with Time-Dependent Potential Barriers,
Phys. Rev. Lett. 109, 226602 (2012), http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.109.226602

Ansprechpartner an der Universität Augsburg:

PD Dr. Wolfgang Häusler
Institut für Physik der Universität Augsburg
86135 Augsburg
Telefon +49(0)821-598-3316,
wolfgang.haeusler@physik.uni-augsburg.de
http://www.physik.uni-augsburg.de/~haeusler/

Klaus P. Prem | idw
Weitere Informationen:
http://www.physik.uni-augsburg.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht ALMA beginnt Beobachtung der Sonne
18.01.2017 | ESO Science Outreach Network - Haus der Astronomie

nachricht Magnetische Kraft von einzelnen Antiprotonen mit höchster Genauigkeit bestimmt
18.01.2017 | Max-Planck-Institut für Kernphysik

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: Textiler Hochwasserschutz erhöht Sicherheit

Wissenschaftler der TU Chemnitz präsentieren im Februar und März 2017 ein neues temporäres System zum Schutz gegen Hochwasser auf Baumessen in Chemnitz und Dresden

Auch die jüngsten Hochwasserereignisse zeigen, dass vielerorts das natürliche Rückhaltepotential von Uferbereichen schnell erschöpft ist und angrenzende...

Im Focus: Wie Darmbakterien krank machen

HZI-Forscher entschlüsseln Infektionsmechanismen von Yersinien und Immunantworten des Wirts

Yersinien verursachen schwere Darminfektionen. Um ihre Infektionsmechanismen besser zu verstehen, werden Studien mit dem Modellorganismus Yersinia...

Im Focus: How gut bacteria can make us ill

HZI researchers decipher infection mechanisms of Yersinia and immune responses of the host

Yersiniae cause severe intestinal infections. Studies using Yersinia pseudotuberculosis as a model organism aim to elucidate the infection mechanisms of these...

Im Focus: Interfacial Superconductivity: Magnetic and superconducting order revealed simultaneously

Researchers from the University of Hamburg in Germany, in collaboration with colleagues from the University of Aarhus in Denmark, have synthesized a new superconducting material by growing a few layers of an antiferromagnetic transition-metal chalcogenide on a bismuth-based topological insulator, both being non-superconducting materials.

While superconductivity and magnetism are generally believed to be mutually exclusive, surprisingly, in this new material, superconducting correlations...

Im Focus: Erforschung von Elementarteilchen in Materialien

Laseranregung von Semimetallen ermöglicht die Erzeugung neuartiger Quasiteilchen in Festkörpersystemen sowie ultraschnelle Schaltung zwischen verschiedenen Zuständen.

Die Untersuchung der Eigenschaften fundamentaler Teilchen in Festkörpersystemen ist ein vielversprechender Ansatz für die Quantenfeldtheorie. Quasiteilchen...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Künftige Rohstoffexperten aus aller Welt in Freiberg zur Winterschule

18.01.2017 | Veranstaltungen

Bundesweiter Astronomietag am 25. März 2017

17.01.2017 | Veranstaltungen

Über intelligente IT-Systeme und große Datenberge

17.01.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

ALMA beginnt Beobachtung der Sonne

18.01.2017 | Physik Astronomie

Textiler Hochwasserschutz erhöht Sicherheit

18.01.2017 | Architektur Bauwesen

Neues Forschungsspecial zu Meeren, Ozeanen und Gewässern

18.01.2017 | Geowissenschaften