Graphen: Wann Strom in Portionen fließt

Wird es eng für Elektronen, fließt Strom in wohldefinierten Portionen. Diesen Quanteneffekt kennt man schon seit einigen Jahren bei Halbleitern. Forscher haben diesen quantisierten Stromfluss durch Engstellen nun erstmals in Graphen nachgewiesen.

Graphen besteht aus einer einzigen Schicht wabenförmig angeordneter Kohlenstoffatome. Es gilt ob seiner bemerkenswerten Eigenschaften als „Wundermaterial“ für viele mögliche Anwendungen. So leitet es bei Raumtemperatur elektrischen Strom besser als alle anderen Stoffe.

Wissenschaftler der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule (RWTH) Aachen und der Technischen Universität (TU) Wien haben in ihrer Arbeit untersucht, wie sich Elektronen verhalten, wenn sie eine Engstelle im Graphen passieren müssen. Auf dieser Skala kommt die Wellennatur der Teilchen zum Vorschein. Die Elektronen fließen quasi als Welle - mit einer von der Energie abhängigen Wellenlänge - durch das Material.

Stufenweise Erhöhung

Die Forscher interessierte, was mit so einer Welle bei einer Engstelle passiert. Von Halbleitern kannte man das schon: Wenn man in diesen elektrostatisch einen Flaschenhals erzeugt, erhöht bzw. verringert sich bei einer Spannungsänderung an der Engstelle der Stromfluss nicht kontinuierlich. „Man sieht vielmehr deutliche Stufen, weil der Stromfluss quantisiert wird“, erklärte Florian Libisch vom Institut für theoretische Physik der TU Wien gegenüber der APA.

Eine Elektronenwelle schwappt durch eine Engstelle im Graphen.
Eetu Puttonen
Eine Elektronenwelle schwappt durch eine Engstelle im Graphen.

Der Grund dafür ist die Wellenlänge der Elektronen. Ist sie zu groß, kann die Welle den Flaschenhals nicht passieren. Die Größe der Wellenlänge ist abhängig von der Energie der Elektronen und kann über die angelegte Spannung verändert werden. „Wenn man die Energie der Elektronen erhöht, dann wird ihre Wellenlänge kleiner, bis schließlich eine Wellenlänge durch die Engstelle passt, dann zwei, dann drei - dadurch erhöht sich auch der Stromfluss in charakteristischen Stufen“, so Libisch.

Rauschen verdeckt Quanten

Bei Graphen wurden solche Strom-Quanten an Engstellen bisher nicht nachgewiesen. Als Grund dafür haben die Forscher sogenannte Randeffekte des Graphen ausgemacht. Hintergrund ist, dass man das Material ätzen muss, um die Engstelle zu erzeugen. Dabei werden die regelmäßigen Kohlenstoff-Waben am Rand zerstört, zudem bleiben Reste der Ätzchemie zurück. „Der Rand ist also nicht schön glatt und das streut die Elektronen, was zusätzliche Ausschläge im gemessenen Strom erzeugt“, sagte Libisch. Dieses Rauschen überdeckt die wohldefinierten Stromquanten.

Experimentell haben das die Physiker in Aachen nachgewiesen, Larisa Chizhova und Florian Libisch von der TU Wien haben die Vorgänge am Computer simuliert und dabei hohe Übereinstimmung zwischen Modell und Experiment erzielt. Um Graphen künftig etwa für Nanoelektronik-Bauteile zu nutzen, müsse man solche Quanteneffekte verstehen, wie man sie limitieren bzw. sie nutzen könnte.

science.ORF.at/APA

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