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Wirkung von pseudo-magnetischen Feldern auf 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. 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 (Uni Jena)