Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Ein ultrastarker virtueller Magnet für Licht

12.12.2012
Physiker der Universität Jena simulieren extremes Magnetfeld in photonischem Modell für Graphen

Für ihre bahnbrechende Entdeckung sind Andre Geim und Konstantin Novoselov 2010 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet worden: Die beiden Forscher hatten zum ersten Mal experimentell Graphen herstellen können: eine Schicht aus Kohlenstoff, die nur aus einer einzigen Atomlage besteht.


Julia Zeuner und Prof. Dr. Alexander Szameit von der Uni Jena bei der Arbeit an einem Hochleistungs-Kurzpulslaser, mit dessen Hilfe die optischen Strukturen im Glas-Chip hergestellt wurden.

Foto: Jan-Peter Kasper/FSU

Ein solcher zweidimensionaler Kristall galt bis dahin als zu instabil, um in der Natur vorzukommen. Auch wenn die einlagige Struktur mittlerweile niemand mehr infrage stellt, bringt Graphen mit seinen außergewöhnlichen Eigenschaften auch die Fachwelt immer wieder ins Staunen.

So verhält sich das Material, das unter dem Mikroskop aussieht wie ein regelmäßiges Muster von Bienenwaben, in mancher Hinsicht ganz anders als dreidimensionale Festkörper. Seine Elektronen sind extrem beweglich, was dem Material u. a. eine enorme elektrische Leitfähigkeit verleiht.

„Graphen ist tolles Material“, schwärmt auch Prof. Dr. Alexander Szameit von der Friedrich-Schiller-Universität Jena. „Seine einzigartigen Eigenschaften machen es zu einem absoluten Zukunftsmaterial“, ist der Juniorprofessor für Diamant-/Kohlenstoffbasierte optische Systeme überzeugt. Doch um Graphen zielgenau einsetzen zu können, müsse die Wissenschaft diese Eigenschaften erst noch besser verstehen.
Dazu haben der Jenaer Physiker und sein Team gemeinsam mit Kollegen des „Israel Institute of Technology – Technion“ in Haifa jetzt einen wichtigen Beitrag geleistet. In der aktuellen Ausgabe des renommierten Fachmagazins „Nature Photonics“ stellen sie ein photonisches Modellsystem vor, mit dem sich die physikalischen Eigenschaften von Graphen weitaus detaillierter untersuchen lassen als mit dem echten Material (DOI: 10.1038/NPHOTON.2012.302).

Insbesondere interessierte die Forscher aus Jena und Israel die Wirkung von sogenannten pseudo-magnetischen Feldern auf Graphen bzw. das Modellsystem. „Es war bekannt, dass man durch das mechanische Verformen von Graphen die Einwirkung eines Magnetfeldes auf das Material simulieren kann“, sagt Julia Zeuner. „Auf diese Weise lässt sich die Wechselwirkung von Magnetfeldern mit Graphen untersuchen, ohne ein echtes Magnetfeld erzeugen zu müssen“, erläutert die Doktorandin aus Szameits Team. Dies habe vor allem den Vorteil, dass die Forscher auch mit weitaus stärkeren – simulierten – Feldstärken experimentieren können, als es reale Magneten ermöglichen würden.

Diesen Schritt sind die Jenaer Physiker nun gegangen. Sie haben per Laser einige Hundert winzige Lichtleiter in einen Glas-Chip graviert, die wie im Graphen in einem Bienenwabenmuster angeordnet sind. „Damit simulieren wir die einlagige Kristallstruktur mit einem photonischen Modell“, so Julia Zeuner. Wird nun in einen einzigen der winzigen Lichtleiter Licht eingestrahlt, so verteilt sich das Licht mit Lichtgeschwindigkeit über den gesamten „Kristall“ – so wie die extrem beweglichen Elektronen im echten Graphen für seine extreme elektrische Leitfähigkeit sorgen.

„Auch an diesem Graphen-Modell lässt sich die Wechselwirkung mit simulierten Magnetfeldern untersuchen“, macht Prof. Szameit deutlich. Allerdings werden diese nicht durch mechanische Verformung erreicht, sondern die „Verformung“ des Wabenmusters wird direkt mit dem Laser in den Glas-Chip graviert. Je nachdem wie stark die Physiker die Lichtleiter aus dem regulären Muster bringen, umso größer ist die „Feldstärke“ des simulierten Magneteffekts. Wird nun unter Einwirkung eines solchen pseudo-magnetischen Feldes Licht in das Graphenmodell eingestrahlt, so konnten die Forscher beobachten, dass die „Leitfähigkeit“ in Abhängigkeit von der Feldstärke deutlich abnimmt. Ab einer simulierten Magnetfeldstärke von unvorstellbaren 7.000 Tesla – die leistungsfähigsten modernen Magnetresonanztomographen erreichen heute Feldstärken von rund 3 Tesla – geht die Leitfähigkeit des Graphen-Modells sogar gegen Null.

Mit ihrer Arbeit eröffnen die Jenaer Physiker nun ein völlig neues Forschungsgebiet, in welchem mit Hilfe ultrastarker virtueller magnetischer Felder Licht gezielt manipuliert und gesteuert werden kann.

Original-Publikation:
Rechtsman MC, Zeuner JM, et al. Strain-induced pseudomagnetic field and photonic Landau levels in dielectric structures. Nature Photonics 2012, DOI: 10.1038/NPHOTON.2012.302

Kontakt:
Prof. Dr. Alexander Szameit
Institut für Angewandte Physik der Friedrich-Schiller-Universität Jena
Albert-Einstein-Straße 15, 07745 Jena
Tel.: 03641 / 947985
E-Mail: alexander.szameit[at]uni-jena.de

Dr. Ute Schönfelder | idw
Weitere Informationen:
http://www.uni-jena.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Planeten außerhalb unseres Sonnensystems: Bayreuther Forscher dringen tief ins Weltall vor
23.02.2017 | Universität Bayreuth

nachricht Kühler Zwerg und die sieben Planeten
23.02.2017 | ESO Science Outreach Network - Haus der Astronomie

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: „Vernetzte Autonome Systeme“ von acatech und DFKI auf der CeBIT

Auf der IT-Messe CeBIT vom 20. bis 24. März präsentieren acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften und das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) in Kooperation mit der Deutschen Messe AG vernetzte Autonome Systeme. In Halle 12 am Stand B 63 erwarten die Besucherinnen und Besucher unter anderem Roboter, die Hand in Hand mit Menschen zusammenarbeiten oder die selbstständig gefährliche Umgebungen erkunden.

Auf der IT-Messe CeBIT vom 20. bis 24. März präsentieren acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften und das Deutsche Forschungszentrum für...

Im Focus: Kühler Zwerg und die sieben Planeten

Erdgroße Planeten mit gemäßigtem Klima in System mit ungewöhnlich vielen Planeten entdeckt

In einer Entfernung von nur 40 Lichtjahren haben Astronomen ein System aus sieben erdgroßen Planeten entdeckt. Alle Planeten wurden unter Verwendung von boden-...

Im Focus: Mehr Sicherheit für Flugzeuge

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem totalen Triebwerksausfall zum Einsatz kommt, um den Piloten ein sicheres Gleiten zu einem Notlandeplatz zu ermöglichen, und ein Assistenzsystem für Segelflieger, das ihnen das Erreichen größerer Höhen erleichtert. Präsentiert werden sie von Prof. Dr.-Ing. Wolfram Schiffmann auf der Internationalen Fachmesse für Allgemeine Luftfahrt AERO vom 5. bis 8. April in Friedrichshafen.

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem...

Im Focus: HIGH-TOOL unterstützt Verkehrsplanung in Europa

Forschung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) unterstützt die Europäische Kommission bei der Verkehrsplanung: Anhand des neuen Modells HIGH-TOOL lässt sich bewerten, wie verkehrspolitische Maßnahmen langfristig auf Wirtschaft, Gesellschaft und Umwelt wirken. HIGH-TOOL ist ein frei zugängliches Modell mit Modulen für Demografie, Wirtschaft und Ressourcen, Fahrzeugbestand, Nachfrage im Personen- und Güterverkehr sowie Umwelt und Sicherheit. An dem nun erfolgreich abgeschlossenen EU-Projekt unter der Koordination des KIT waren acht Partner aus fünf Ländern beteiligt.

Forschung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) unterstützt die Europäische Kommission bei der Verkehrsplanung: Anhand des neuen Modells HIGH-TOOL lässt...

Im Focus: Zinn in der Photodiode: nächster Schritt zur optischen On-Chip-Datenübertragung

Schon lange suchen Wissenschaftler nach einer geeigneten Lösung, um optische Komponenten auf einem Computerchip zu integrieren. Doch Silizium und Germanium allein – die stoffliche Basis der Chip-Produktion – sind als Lichtquelle kaum geeignet. Jülicher Physiker haben nun gemeinsam mit internationalen Partnern eine Diode vorgestellt, die neben Silizium und Germanium zusätzlich Zinn enthält, um die optischen Eigenschaften zu verbessern. Das Besondere daran: Da alle Elemente der vierten Hauptgruppe angehören, sind sie mit der bestehenden Silizium-Technologie voll kompatibel.

Schon lange suchen Wissenschaftler nach einer geeigneten Lösung, um optische Komponenten auf einem Computerchip zu integrieren. Doch Silizium und Germanium...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Aufbruch: Forschungsmethoden in einer personalisierten Medizin

24.02.2017 | Veranstaltungen

Österreich erzeugt erstmals Erdgas aus Sonnen- und Windenergie

24.02.2017 | Veranstaltungen

Big Data Centrum Ostbayern-Südböhmen startet Veranstaltungsreihe

23.02.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Fraunhofer HHI auf dem Mobile World Congress mit VR- und 5G-Technologien

24.02.2017 | Messenachrichten

MWC 2017: 5G-Hauptstadt Berlin

24.02.2017 | Messenachrichten

Auf der molekularen Streckbank

24.02.2017 | Biowissenschaften Chemie