Elektronen in Graphen sind schneller als erwartet
Wechselwirkung von Elektronen verursacht Abweichung von linearem Verhalten der Dispersions-Relation von Energie und Wellenzahlvektor.
Wechselwirkung von Elektronen verursacht Abweichung von linearem Verhalten der Dispersions-Relation von Energie und Wellenzahlvektor.
Physiker aus Madrid, Moskau und Manchester haben in Experimenten nachgewiesen, dass die Bandstruktur von Graphen seine lineare Dispersionsrelation von Energie und Wellenzahlvektor nahe niedrigen Energien einbüßt. Sie vermaßen dazu die Zyklotronmasse der Elektronen in verschiedenen Bauteilen, in denen sie eine Graphenschicht freihängend zwischen zwei Trägern platziert hatten. Wie bereits früher in Experimenten mit auf Silizium-Dioxid abgeschiedenem Graphen gezeigt wurde, verhält sich die Zyklotronmasse umgekehrt proportional zur Fermi-Geschwindigkeit der Elektronen, der Geschwindigkeit also, die der Fermi-Energie entspricht.
Abb.: Das Elektronenspektrum des Graphen in einer Einzelteilchenrechnung (äußerer Kegel) unterscheidet sich deutlich von dem einer Vielteilchenberechung (innere Oberfläche), wie sie die Renormierungsgruppentheorie vorhersagt und im jetzigen Experiment bestätigt wird. (Bild: Elias et al.)
Die Wissenschaftler um die beiden Nobelpreisträger Andre Geim und Konstantin Novoselov stellten fest, dass die gemessene Zyklotronmasse nur etwa halb so groß war wie erwartet. Ihre Erklärung: Nicht die Zyklotronmasse ist geringer sondern die Fermi-Geschwindigkeit höher als gedacht. Sie verhält sich bei niedrigen Energien damit nicht mehr nach der linearen Beziehung, die man bisher in Graphen angenommen hatte. Verantwortlich dafür seien Elektron-Elektron-Wechselwirkungen.
Möglich wurden die Messungen durch Vorteile, die die frei aufgehängten Graphenschichten gegenüber früheren Experimenten besaßen: Veränderungen des elektronischen Spektrums traten in den hochreinen Proben deutlicher zutage, weil keine Störungen durch die dielektrische Abschirmung eines Substrats auftraten. Die hohe Qualität der Graphenschichten erlaubte eine genaue Vermessung des Spektrums über drei Größenordnungen von Ladungsträgerdichten hinweg. Außerdem reichten die Messungen bis auf wenige Millielektronvolt an den Dirac-Punkt heran, so nahe wie bei keiner früheren Untersuchung. Im Dirac-Punkt berühren sich Valenz- und Leitungsband des Halbmetalls Graphen. Die Forscher bestimmten für die Elektronen eine Fermi-Geschwindigkeit von 3 × 106 m/s nahe dem Dirac-Punkt, ein nahezu dreimal höherer Wert als er gewöhnlich bei Graphen angenommen wird.
Philipp Hummel
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