Besser leiten mit Defekten

Ein fundamentales Phänomen der Quantenphysik ist das Tunneln eines Elektrons durch eine Barriere, die nach klassischen Regeln eigentlich undurchdringlich wäre. Dieser Effekt, der auf die Wellennatur der Materie zurückgeht, ist wegen der exponentiell abklingenden Wellen­funktion in der Barriere nur über kürzeste Distanzen wirksam, beispielsweise über weniger als einen Nanometer bei der Abbildung einzelner Atome in der Raster­tunnel­mikroskopie.

Es war deshalb erstaunlich, als vor etwa einem Jahrzehnt entdeckt wurde, dass in Einzel­lagen- und Doppellagen-Graphen der elektrische Strom über tausend Mal längere Distanzen durch solche exponentiell abklingenden Wellen­funktionen floss. Dieser neue Mechanismus des Elektronen­transports war aber so maskiert, dass er kaum vom normalen Elektronen­transport in einem gewöhnlichen Leiter unterschieden werden konnte. Der Effekt schien zunächst gut verstanden, stellte sich dann aber bald als noch viel komplizierter dar, als in einigen aufsehen­erregenden Experimenten scheinbar identische Doppellagen-Proben sich entweder gut leitfähig oder aber – genau gegenteilig – stark isolierend verhielten. Dieser Widerspruch stellte die Festkörperphysik vor ein Rätsel. In einer Reihe viel beachteter Arbeiten wurden exotische neue Zustände der Materie vorgeschlagen, die aber wiederum nur den isolierenden Teil der Ergebnisse beschrieben.

Physiker der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) und des Max-Planck-Instituts (MPI) in Halle warfen nun Licht auf dieses Rätsel der Festkörper­physik. Während die weltweite Forschung auf diesem Gebiet sich darauf fokussierte, diese Phänomene mit einem als perfekt angenommenen Material zu erklären, beschritten die FAU-Forscher Sam Shallcross und Heiko B. Weber, in Zusammenarbeit mit Sangeeta Sharma vom MPI in Halle, einen anderen Weg: Sie entwickelten eine Theorie des Elektronen­transports von defekt­behafteten Doppel­lagen, insbesondere mit Stapelfehlern, die den Falten in einer zweilagigen Tischdecke ähneln. Solche Partial­versetzungen wurden vor wenigen Jahren an der FAU in der Graphen-Doppellage entdeckt und untersucht. Für die Theorie entwickelten die Forscher eine neue Methode zur Berechnung der elektronischen Struktur in Doppellagen, die genau solche Stapelfehler erstmals sehr gut berücksichtigen kann. Werden sie auf die Graphen-Doppellage angewandt, entsteht ein neuer Typ des Elektronen­transports, dessen mathematische Struktur die des Tunnelns ist, aber qualitativ neue Physik hervorbringt: Es zeigt sich, dass Strom unter Umständen besser fließen kann, wenn Hindernisse im Weg liegen.

Zu ihrer eigenen Überraschung fanden Shallcross, Sharma und Weber heraus, dass diese elektronische Struktur sich je nach Position entweder isolierend oder leitend verhalten kann, genau wie in den zuvor rätselhaften Experimenten. Somit ist eine umfassende Beschreibung der gesamten Phänomenologie der Graphen-Doppellage gelungen, ohne dass neue exotische Phasen postuliert werden müssen.

Dieses theoretische Konzept kann auf viele Vertreter einer ganzen Materialklasse, der neuen und aufregenden zwei­dimensionalen Materialien angewendet werden. Die Arbeit beleuchtet wiederum die grundlegenden Unterschiede im Ladungstransport, wenn von der gewöhnlichen dreidimensionalen Welt auf zweidimensionale Materialien übergegangen wird. Die Arbeit entstand als Zusammen­arbeit innerhalb des Sonder­forschungs­bereichs 953, „Synthetische Kohlenstoff-Allotrope”.

FAU / DE