Virtueller Magnet simuliert Kräfte in Graphen
Physiker der Universität Jena bilden mit Licht ein extremes Magnetfeld in der Kohlenstoff-Konfiguration nach.
Graphen mit seinen außergewöhnlichen Eigenschaften bringt die Fachwelt immer wieder ins Staunen. So verhält sich die zweidimensionale Kohlenstoffschicht, die 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.
Abb.: Forscher der Uni Jena an einem Hochleistungs-Kurzpulslaser, mit dessen Hilfe die optischen Strukturen im Glas-Chip hergestellt wurden. (Bild: J.-P. Kasper/FSU)
Um Graphen zielgenau einsetzen zu können, müssen die Wissenschaftler diese und weitere Eigenschaften noch besser verstehen. Dazu haben der Jenaer Physiker Alexander Szameit und sein Team gemeinsam mit Kollegen des Israel Institute of Technology – Technion in Haifa jetzt einen wichtigen Beitrag geleistet. Sie stellen ein photonisches Modellsystem vor, mit dem sich die physikalischen Eigenschaften von Graphen weitaus detaillierter untersuchen lassen als mit dem echten Material.
Insbesondere interessierte die Forscher aus Jena und Israel die Wirkung von 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 Forscherin aus Szameits Team. Dies habe vor allem den Vorteil, dass die Wissenschaftler 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 Leiter Licht eingestrahlt, so verteilt es sich mit Lichtgeschwindigkeit über den gesamten „Kristall“ – so sorgen auch die extrem beweglichen Elektronen im echten Graphen für seine extreme elektrische Leitfähigkeit.
„Auch an diesem Graphen-Modell lässt sich die Wechselwirkung mit simulierten Magnetfeldern untersuchen“, macht 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.
Wurde nun unter Einwirkung eines solchen pseudo-magnetischen Feldes Licht in das Graphenmodell eingestrahlt, konnten die Forscher beobachten, dass die „Leitfähigkeit“ in Abhängigkeit von der Feldstärke deutlich abnahm. Ab einer simulierten Magnetfeldstärke von 7000 Tesla – die leistungsfähigsten gängigen Magnetresonanztomographen erreichen heute Feldstärken von rund 3 Tesla – ging die Leitfähigkeit des Graphen-Modells sogar gegen Null.
FSU Jena / PH
