Graphen, jedermanns beliebtestes magisches Material, scheint immer Überraschungen bereitzuhalten. Physiker am MIT haben nun einen weiteren brandneuen elektronischen Zustand entdeckt, der in diesem bemerkenswerten kleinen Material verborgen ist – einem Material, das sie mit einem merkwürdigen Namen versehen haben: „Iron Valleyness“.
Graphen ist im Wesentlichen nur eine ultradünne Flocke aus normalem Graphit – tatsächlich so dünn, dass es nur ein Atom dick ist. Doch trotz seiner bescheidenen Anfänge ist Graphen superstark, supraleitend, flexibel und hat das Potenzial, alles zu revolutionieren, von der Elektronik über Kleidung bis hin zur Luft- und Raumfahrttechnik. Wenn man anfängt, Graphenblätter zu stapeln und sie sogar in bestimmten Winkeln zu verdrehen, werden andere außergewöhnliche Fähigkeiten sichtbar, wie zum Beispiel Magnetismus oder Superwasserdurchlässigkeit.
In neuen Forschungen entdeckte das MIT-Forschungsteam ein weiteres Material – „multiferroisches Verhalten“, das in der Materialwelt sehr selten ist. Ein ferroisches Material ist ein Material, dessen Teilchen ein koordiniertes Verhalten aufweisen – beispielsweise richten alle Elektronen eines Magneten ihre Spins in die gleiche Richtung, auch wenn kein äußeres Magnetfeld vorhanden ist. Multiferroika sind Materialien, die mehr als ein koordiniertes Verhalten zeigen, sodass der Magnetismus in eine Richtung und Ladungen in eine andere zeigen.
Die Forscher berechneten, dass Graphen unter ganz besonderen Umständen zu einem multiferroischen Material werden sollte. Theoretisch tritt Multiferroizität nur auf, wenn fünf Schichten Graphen übereinander gestapelt werden, wobei jede Schicht leicht versetzt ist, sodass das dreidimensionale Ganze eine Raute bildet.
In fünfschichtigem Graphen befinden sich die Elektronen zufällig in einer Kristallgitterumgebung, in der sie sich sehr langsam bewegen, was ihnen eine effektive Wechselwirkung mit anderen Elektronen ermöglicht. Zu diesem Zeitpunkt beginnen elektronenbezogene Effekte zu dominieren und sie können beginnen, sich in bestimmte bevorzugte Ferritordnungen zu koordinieren.
Als nächstes machte sich das Team daran, die Theorie in der Praxis zu bestätigen, indem es Graphenflocken von Graphitblöcken abkratzte und sie mit leistungsstarken Mikroskopen untersuchte, um einige zu finden, die von Natur aus die ideale Rautenform hatten. Anschließend isolierten sie mehrere Arten von Graphen, die sie gefunden hatten, und untersuchten sie bei Temperaturen knapp über dem absoluten Nullpunkt, wo andere Effekte schwächer werden, sodass nur das gesuchte Graphen leuchtet.
Tatsächlich stellte das Team fest, dass die Elektronen in diesen speziellen Flocken gleichmäßig auf elektrische Felder in der einen und magnetische Felder in der anderen Richtung reagierten, was ein multiferroisches Verhalten bestätigte. Aber selbst diese individuellen Verhaltensweisen sind ungewöhnlich – Magnetismus entsteht durch die Koordination der Umlaufbewegungen der Elektronen, nicht durch ihre Spins. Elektronisches Verhalten resultiert daraus, dass Elektronen bevorzugt in ein „Tal“ (oder den Zustand mit der niedrigsten Energie) eintreten, anstatt sich in zwei Täler zu verteilen. Daher nennt das Forschungsteam diesen eigenartigen elektronischen Zustand „Eisental-Eigenschaft“.
„Wir wussten, dass in dieser Struktur etwas Interessantes passierte, aber wir wussten nicht, was es war, bis wir es testeten“, sagte Zhengguang Lu, Co-Erstautor der Studie. „Dies ist das erste Mal, dass wir Iron-Valley-Elektronik sehen, und das erste Mal, dass wir Iron-Valley-Elektronik neben unkonventionellen Ferromagneten sehen.“
Die Forscher sagen, dass dieses eigenartige Verhalten letztendlich ausgenutzt werden könnte, um die Datenspeicherkapazität eines Chips effektiv zu verdoppeln.
Die Forschung wurde in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.