Neues Verhalten von Graphen entdeckt

Forschung
Graphenstapel erzeugt einen seltenen elektronischen Zustand

30.10.2023

Von

Henning Wriedt

Lesedauer: 6 min

Ein neu entdecktes elektronisches Verhalten könnte helfen, mehr Daten in magnetische Speicherbauelemente zu packen.

Eine gewöhnliche Bleistiftmine zeigt außergewöhnliche Eigenschaften, sobald sie in atomdünne Schichten zerlegt wird. Ein einzelnes, atomar dünnes Blatt Grafit, bekannt als Graphen, ist nur einen winzigen Bruchteil so dick wie ein menschliches Haar. Unter dem Mikroskop ähnelt das Material einem Hühnermaschendraht aus Kohlenstoffatomen, die zu einem sechseckigen Gitter verbunden sind.

Trotz seiner Winzigkeit haben Wissenschaftler im Laufe der Jahre herausgefunden, dass Graphen außergewöhnlich fest ist. Und wenn das Material gestapelt und in bestimmte Richtungen gedreht wird, kann es ein überraschendes elektronisches Verhalten zeigen.

Jetzt haben MIT-Physiker eine weitere überraschende Eigenschaft von Graphen entdeckt: Wenn es in fünf Schichten in einem rhomboedrischen Muster gestapelt wird, nimmt Graphen einen sehr seltenen „multiferroischen“ Zustand an, in dem das Material sowohl einen unkonventionellen Magnetismus als auch ein exotisches elektronisches Verhalten zeigt, das das Team als „ferro-valleytricity“ bezeichnet.

„Graphen ist ein faszinierendes Material“, sagt Teamleiter Long Ju, Assistenzprofessor für Physik am MIT. „Mit jeder neuen Schicht erhält man im Grunde ein neues Material. Und jetzt sehen wir zum ersten Mal Ferro-Valleytricity und unkonventionellen Magnetismus in fünf Graphenschichten. Diese Eigenschaft haben wir in einer, zwei, drei oder vier Schichten noch nicht gesehen.“

Diese Entdeckung könnte Ingenieuren helfen, Datenspeicher mit extrem niedrigem Stromverbrauch und hoher Kapazität für klassische und Quantencomputer zu entwickeln.

„Multiferroische Eigenschaften in einem Material zu haben, bedeutet, dass man nicht nur Energie und Zeit beim Beschreiben einer magnetischen Festplatte spart, sondern auch doppelt so viel Information speichern könnte wie mit herkömmlichen Speichersystemen“, sagt Ju.

Sein Team berichtete in ‘Nature’ über diese Entdeckung. Zu den Koautoren am MIT gehören Tonghang Han als Hauptautor sowie Zhengguang Lu, Tianyi Han und Liang Fu, Giovanni Scuri, Jiho Sung, Jue Wang und Hongkun Park von der Harvard University sowie Kenji Watanabe und Takashi Taniguchi vom National Institute for Materials Science in Japan.

Eine Vorliebe für Ordnung

Ein ferroisches Material ist ein Werkstoff, dessen elektrische, magnetische oder strukturelle Eigenschaften ein koordiniertes Verhalten zeigen. Ein Magnet ist ein bekanntes Beispiel für ein ferroisches Material: Seine Elektronen können sich ohne ein äußeres Magnetfeld so koordinieren, dass sie sich in dieselbe Richtung drehen. Dadurch richtet sich der Magnet spontan in eine bevorzugte Richtung im Raum aus.

Andere Materialien können auf verschiedene Weise ferroisch sein. Aber nur wenige sind multiferroisch – ein seltener Zustand, bei dem mehrere Eigenschaften koordiniert werden können, um mehrere bevorzugte Zustände zu zeigen. Bei herkömmlichen multiferroischen Materialien ist es so, als ob zusätzlich zu dem Magneten, der sich in eine Richtung bewegt, die elektrische Ladung sich in eine Richtung bewegt, die unabhängig von der magnetischen Richtung ist.

Multiferroische Materialien sind für die Elektronik interessant, weil sie die Geschwindigkeit von Festplatten erhöhen und deren Energieverbrauch senken könnten. Magnetische Festplatten speichern Daten in Form von magnetischen Domänen – im Wesentlichen mikroskopisch kleine Magnete, die je nach ihrer magnetischen Ausrichtung entweder als “https://www.elektronikpraxis.de/neues-elektronisches-verhalten-graphen-entdeckt-a-25f711f676c600f32b780d44f30e7fd4/1” oder als ‘0’ gelesen werden. Die Magnete werden durch einen elektrischen Strom geschaltet, der viel Energie verbraucht und nicht schnell genug arbeiten kann.

Wenn es gelänge, einen Speicher aus multiferroischen Materialien herzustellen, könnten die Domänen durch ein schnelleres elektrisches Feld mit viel weniger Energie geschaltet werden. Ju und seine Kollegen waren neugierig, ob Graphen multiferroisches Verhalten zeigen würde. Die extrem dünne Struktur des Materials ist eine einzigartige Umgebung, in der die Forscher sonst verborgene Quantenwechselwirkungen entdeckt haben. Ju fragte sich insbesondere, ob Graphen unter bestimmten Bedingungen und Konfigurationen ein multiferroisches, koordiniertes Verhalten zwischen seinen Elektronen zeigen würde.

„Wir suchen nach Umgebungen, in denen die Elektronen verlangsamt werden – wo ihre Wechselwirkungen mit dem umgebenden Atomgitter gering sind, sodass ihre Wechselwirkungen mit anderen Elektronen durchgelassen werden“, erklärt Ju.

Das Team führte einige einfache Berechnungen durch und fand heraus, dass ein koordiniertes Verhalten der Elektronen in einer Struktur aus fünf rhomboedrisch gestapelten Graphenschichten auftreten sollte. (Man stelle sich fünf Hühnergitter vor, die so gestapelt und leicht versetzt sind, dass die Struktur von oben betrachtet einem Diamantenmuster ähnelt.)

„In fünf Schichten befinden sich die Elektronen zufällig in einer Gitterumgebung, in der sie sich sehr langsam bewegen, sodass sie effektiv mit anderen Elektronen interagieren können“, sagt Ju. „Dann beginnen die Korrelationseffekte der Elektronen zu dominieren und sie können sich in bestimmten bevorzugten ferroischen Ordnungen anordnen.“

Magische Flocken

Dann gingen die Forscher ins Labor, um zu sehen, ob sie tatsächlich multiferroisches Verhalten im fünflagigen Graphen beobachten konnten. Sie begannen ihre Experimente mit einem kleinen Grafitblock, von dem sie vorsichtig einzelne Plättchen ablösten. Mit optischen Methoden untersuchten sie jedes einzelne Plättchen und suchten gezielt nach fünflagigen Plättchen, die von Natur aus in einem rhomboedrischen Muster angeordnet sind.

„Bis zu einem gewissen Grad ist die Natur ein Zauberer“, sagt Erstautor und Doktorand Han. „Wir können alle diese Flocken untersuchen und feststellen, welche fünf Schichten in dieser rhomboedrischen Stapelung die Elektronen abbremsen.“

Das Team isolierte mehrere fünfschichtige Flocken und untersuchte sie bei Temperaturen knapp über dem absoluten Nullpunkt. Unter diesen ultrakalten Bedingungen sollten alle anderen Effekte, wie zum Beispiel thermisch induzierte Störungen im Graphen gedämpft werden, sodass Wechselwirkungen zwischen den Elektronen stattfinden können. Die Forscher maßen die Reaktion der Elektronen auf ein elektrisches und ein magnetisches Feld hin und stellten fest, dass tatsächlich zwei ferroische Ordnungen, d. h. Gruppen koordinierten Verhaltens, auftraten.

Die erste ferroische Eigenschaft war ein unkonventioneller Magnetismus: Die Elektronen koordinierten ihre Bahnbewegungen wie Planeten, die in dieselbe Richtung kreisen. (In herkömmlichen Magneten koordinieren die Elektronen ihren „Spin“ – sie drehen sich in die gleiche Richtung, bleiben aber relativ fest im Raum).

Die zweite ferroische Eigenschaft hängt mit dem elektronischen „Tal“ von Graphen zusammen. In jedem leitfähigen Material gibt es bestimmte Energieniveaus, die Elektronen einnehmen können. Ein Tal ist der niedrigste Energiezustand, den ein Elektron auf natürliche Weise einnehmen kann. In Graphen gibt es zwei mögliche Täler. Normalerweise haben die Elektronen keine Vorliebe für eines der beiden Täler und siedeln sich in beiden gleichermaßen an.

In fünflagigem Graphen jedoch begannen die Elektronen, sich zu koordinieren und sich bevorzugt in einem der Täler niederzulassen. Dieses zweite koordinierte Verhalten deutet auf eine ferroische Eigenschaft hin, die zusammen mit dem unkonventionellen Magnetismus der Elektronen der Struktur einen seltenen multiferroischen Zustand verleiht.

„Wir wussten, dass in dieser Struktur etwas Interessantes passieren würde, aber wir wussten nicht genau was, bis wir es getestet haben“, sagt Co-Autor Lu, ein Postdoktorand in Jus Gruppe. „Es ist das erste Mal, dass wir eine Ferro-Valleytronik gesehen haben, und auch das erste Mal, dass wir eine Koexistenz von Ferro-Valleytronik mit unkonventionellen Ferromagneten beobachteten.“

Das Team hat gezeigt, dass es beide ferroelektrischen Eigenschaften mithilfe eines elektrischen Feldes steuern kann. Wenn es den Ingenieuren gelingt, fünflagiges Graphen oder ähnliche multiferroische Materialien in einen Speicherchip einzubauen, könnten sie im Prinzip dasselbe elektrische Feld bei niedrigem Stromverbrauch nutzen, um die Elektronen des Materials auf zwei Arten statt nur auf eine Art zu manipulieren und die Datenmenge, die auf einem Chip gespeichert werden kann, im Vergleich zu herkömmlichen multiferroischen Materialien zu verdoppeln. Auch wenn diese Vision noch in weiter Ferne liegt, sind die Ergebnisse des Teams wegweisend für die Suche nach besseren und effizienteren elektronischen, magnetischen und valleytronischen Geräten.

Diese Forschung wird teilweise von der National Science Foundation und der Sloan Foundation finanziert.

(mbf)

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