Spins in Graphen: ausgerichtet wie die Stachelns eines Igels
Die Illustration zeigt, wie sich an den Energieflächen der Elektronen im reziproken Raum die Spins aus der Ebene herausdrehen. Dabei bildet sich eine Konfiguration, die an die Stacheln eines Igels erinnert. Illustration Thomas Splettstößer/HZB
HZB-Team weist fundamentale Eigenschaft des Elektronenspins in Graphen nach
Seit geraumer Zeit experimentieren HZB-Forscher mit Graphen, einem Material, das für seine besonders leicht beweglichen Elektronen berühmt ist. Sie wollen diesem Material eine weitere Eigenschaft aufprägen. Dabei handelt es sich um eine Kopplung zwischen der Bewegungsrichtung dieser Elektronen und ihrem Eigendrehimpuls, dem Spin. Die Spineigenschaft ist eine Spezialität schwerer Elemente, wie beispielsweise Gold. Graphen besteht aus Kohlenstoff und ist dafür zu leicht. Jedoch beherrscht man am HZB die Methode, Gold kontrolliert unter eine Graphen-Lage zu schieben. So können in der Tat bestimmte Spinmuster erzeugt werden, die als Rashba-Effekt bekannt wurden, bislang gelang das allerdings nur in der Ebene des Graphen.Nun ist es Dr. Andrei Varykhalov und Mitarbeitern gelungen, den Spin auch aus der Ebene herauszudrehen.
Dabei drehen sich die Spins kontinuierlich von der Ebene in die Senkrechte, eine Ausrichtung wie bei den Stacheln eines Igels. Das konnten die Forscher mit spinaufgelöster Photoemissionsspektroskopie an BESSY II nachweisen.
Igel und Anti-Igel
Tatsächlich sind solche Igel-Strukturen beispielsweise aus der Kernphysik bekannt. Es sind ganz singuläre Punkte, die eigentlich dem Verbot magnetischer Monopole nach Gauss widersprechen würden. Hier wirft Varykhalov jedoch ein, dass im Graphen alles zweifach vorhanden ist, da seine Bienenwabenstruktur aus zwei äquivalenten Atomgittern zusammengesetzt ist. Tatsächlich gibt es zu dem Igel auch eine Art Anti-Igel, die zusammen dem Monopol-Verbot Genüge tun.
Design eines Spinfilters
Dass sich die Igel aufheben, bedeutet jedoch nicht, dass sie keine physikalische Auswirkungen hätten, ganz im Gegenteil, erklärt Prof. Dr. Oliver Rader, der Leiter der Abteilung. Die Physiker haben nämlich in ihrer Arbeit ein spintronisches Bauteil vorgeschlagen, das die Igelstruktur ausnutzt, um einen sehr effizienten Spinfilter zu realisieren. Im Spinfilter werden die Spins nach rechts bzw. links abgelenkt, der resultierende Spinstrom ist prinzipiell verlustlos und könnte in der Zukunft den Energieverbrauch in der Informationstechnologie reduzieren.
Sichtbar erst durch ein Substratkristall
Der Effekt im Graphen ist vor einigen Jahren von einer Gruppe aus Budapest vorhergesagt worden. Andros Kormányos erklärt, dass der Igel und der Anti-Igel auch bei den Vorläufersystemen schon angelegt waren, jedoch einander untrennbar überlagert. Erst durch Brechung der Untergittersymmetrie, die Varykhalov durch Wahl eines Substratkristalls mit einer niedrigeren Symmetrie bewerkstelligt hat, konnte er den Igel und den Anti-Igel voneinander trennen.
Die Arbeit ist in der renommierten Zeitschrift Nature Communications am 27. Juli 2015 veröffentlicht. Die zugrundeliegende Vorhersage [1] war im Jahre 2011 bei Physical Review B erschienen.
Zur Publikation: A. Varykhalov, J. Sánchez-Barriga, D. Marchenko, P. Hlawenka, P.S. Mandal & O. Rader,
Tunable Fermi level and hedgehog spin texture in gapped graphene
NATURE COMMUNICATIONS | 6:7610 | DOI: 10.1038/ncomms8610
[1] A. Varykhalov, J. Sánchez-Barriga, D. Marchenko, P. Hlawenka, P.S. Mandal & O. Rader,
Tunable Fermi level and hedgehog spin texture in gapped graphene
NATURE COMMUNICATIONS | 6:7610 | DOI: 10.1038/ncomms8610
[2] Rakyta, P., Kormányos, A. & Cserti, J. Effect of sublattice asymmetry and
spin-orbit interaction on out-of-plane spin polarization of photoelectrons.
Phys. Rev. B 83, 155439 (2011).
- BESSY II: Neue Probenumgebung erlaubt Einblick in thermokatalytische ProzesseEine neuartige Messzelle ermöglicht erstmals Untersuchungen mit weicher und harter Röntgenstrahlung unter hohen Drücken von bis zu 20 bar und Temperaturen von bis zu 400 °C. Dies liefert neue Erkenntnisse über thermokatalytische Prozesse, wie beispielsweise die Fischer-Tropsch-Synthese zur Herstellung synthetischer Kraftstoffe. Die Entwicklung der Messzelle gilt als Meilenstein im Rahmen des Care-O-Sene-Projekts.
- Präzise Grenzflächenchemie steigert Wirkungsgrad von Perowskit-SolarzellenIm Rahmen einer internationalen Forschungskooperation wurde eine neue molekulare Strategie entwickelt, um eine der Grenzflächen in Perowskit-Solarzellen zu verbessern. Die daraus resultierenden Solarzellen erreichten in der n-i-p-Architektur einen Energieumwandlungswirkungsgrad von 26,19 % bei gleichzeitig hoher Betriebsstabilität unter längerer Bestrahlung und erhöhten Temperaturen. Die Ergebnisse wurden im „Journal of the American Chemical Society“ veröffentlicht.
- Perowskit-Dreifachsolarzellen: Noch effizienter mit GO/SAM DoppelschichtPerowskit-Halbleiter wandeln Sonnenlicht effizient in elektrische Energie um, darüber hinaus sind sie günstig und superleicht. Ein Team am HZB hat eine Dreifachsolarzelle aus drei unterschiedlichen Perowskit-Halbleitern mit einer neuartigen Doppelschicht aus Graphenoxid und SAM als Lochleiter entwickelt. Sie konnten zeigen, dass diese Doppelschicht sowohl den Wirkungsgrad als auch die Langzeitstabilität deutlich steigert. Der Wirkungsgrad der neuartigen Perowskit-Dreifachsolarzelle beträgt 27,3% und fällt auch nach mehr als 770 Stunden in Betrieb kaum ab. Die Studie ist in der renommierten Fachzeitschrift Joule erschienen.