Quanten-Hall-Effekt in Graphen-Gittern

Vor 35 Jahren entdeckte Klaus von Klitzing den Quanten-Hall-Effekt (QHE). Dabei ändert sich die Hall-Spannung in einer tiefgekühlten dünnen Schicht nicht linear mit einem stärker werdenden Magnetfeld, sondern in quantisierten Abständen, also Stufen. Zwei Jahre später folgte die Entdeckung eines fraktionalen QHE, der sich mit gebrochenen statt ganzen Quantenzahlen beschreiben ließ. Nun fand eine Forschergruppe um Cory Dean von der Columbia University in New York bei Experimenten mit hauchdünnen Graphen-Schichten ein weiteres, von bisherigen Theorien nicht vorhergesagtes Phänomen. Die Forscher tauften den Effekt „fraktionalen Bloch-Band-Quanten-Hall-Effekt".

Für ihre Grundlagenversuche packten die Physiker eine einatomige Kohlenstoffschicht aus Graphen wie ein Sandwich zwischen zwei Lagen aus Bornitrid. Über schwache van-der-Waals-Kräfte konnte sich dieser Stapel stabilisieren und zeigte wegen des geringfügigen Versatzes der Schichten um 14 Nanometer einen Moiré-Effekt. So erschienen die gestapelten Schichten in einem gröberen Raster angeordnet als die einzelnen Schichten sie selbst aufwiesen.

Tiefgekühlt auf 1,6 Kelvin konnten Dean und Kollegen zuerst die bereits bekannten Phänomene reproduzieren. Ihre Spannungsmessungen zeigten mit stärker werdendem Magnetfeld von bis zu 30 Tesla sowohl einen ganzzahligen als auch einen fraktionalen Quanten-Hall-Effekt. Beim letzteren verhielten sich mehrere Elektronen wie in einem Kollektiv. Die entsprechenden Sprünge der Hall-Spannung ließen sich daher mit gebrochenen Quantenzahlen beschreiben. Diese Quanten-Hall-Effekte konnten mit dem Bild eines sogenannten Hofstader-Schmetterlings beschrieben werden: Bei starken Magnetfeldern nahmen die Hall-Spannungen spezifische Werte an, die sich in dem zweidimensionalen Elektronensystem als strahlenförmiges Muster in Form eines Schmetterlings veranschaulichen ließen.

Ab einer magnetischen Feldstärke von 40 Tesla jedoch erkannten die Physiker Quantenzustände, die sich mit den verfügbaren Theorien nicht erklären ließen. Das bekannte Muster eines Hofstadter-Schmetterlings erweiterte sich durch zusätzliche Strukturen. Als Erklärung für diesen völlig unerwarteten Effekt erwogen sie einen neuen Zustand in zweidimensionalen Elektronensystemen, den schon erwähnten fraktionalen Bloch-Band-Quantum-Hall-Effekt (FBQHE). Dean und Kollegen sind davon überzeugt, dass sie mit dieser Entdeckung das elektronische Verhalten von tiefgekühlten Elektronensystemen in Zukunft noch besser erklären können.

Jan Oliver Löfken

PH