Rhomboedrischer Graphit als Modell für Quantenmagnetismus

Graphen ist ein äußerst spannendes Material. Nun zeigt eine Graphen-Variante ein weiteres Talent: Rhomboedrischer Graphit aus mehreren, leicht gegeneinander versetzten Schichten könnte die verborgene Physik in Quantenmagneten aufklären.

Graphen-Materialien bestehen nur aus Kohlenstoffatomen, die Grundform ist eine einlagige Bienenwabenstruktur. Aber es gibt einige Varianten mit erstaunlich vielseitigen Eigenschaften. So können beispielsweise Stapel von Graphenschichten* eine Vielzahl von Quasiteilchen und Vielteilchenphänomenen beherbergen: Von Dirac-Fermionen in Einzelschichten bis hin zu exotischer Supraleitfähigkeit in verdrillten Doppelschichten.

Freie Ladungsträger an der Oberfläche

In rhomboedrischem Graphit (RG) sind die wabenförmigen Schichten mit einem bestimmten Versatz übereinander gestapelt. Dies führt zu einer besonderen elektronischen Struktur mit sehr flachen Bändern an der Oberfläche. Wie in einem topologischen Isolator bewegen sich die Ladungsträger nur an der Oberfläche frei.

Letztes Jahr wurde gezeigt, dass Dreischichten aus RG auch Ferromagnetismus und unkonventionelle Supraleitung aufweisen. Und: Die Stärke der Wechselwirkungen nimmt mit der Anzahl der Schichten zu.

Experimentelle und theoretische Analysen

Ein Team vom Zentrum für Energieforschung, Budapest, Ungarn und am HZB hat nun erstmals die Oberfläche von mehrschichtigen RG-Proben unter einem Rastertunnelmikroskop untersucht. Sie konnten die Bandstruktur und die elektronischen Eigenschaften präzise abbilden und entdeckten unerwartet reiche Vielteilchen-Grundzustände. Zudem arbeiteten sie mit verschiedenen Modellen der Quantenphysik, um verborgene Prozesse und Wechselwirkungen in den Proben zu verstehen. 

Bezug zu Quantenmagnetismus

"Das Interessante an rhomboedrischem Graphit ist, dass dieses Material auch sogenannte Spin-Kanten-Zustände aufweist, die in Quantenmagneten vorkommen. Die Arbeit verbindet somit zwei wichtige Bereiche der kondensierten Materie: Graphen-basierte Systeme und Quantenmagnete", sagt Dr. Imre Hagymási, Erstautor der Arbeit, die jetzt in Science Advances erschienen ist.

Ein flexibles Modellsystem

Die Studie bietet neue Einblicke in das Zusammenspiel von Topologie und Vielteilchenphysik und damit die Chance, die Physik in Quantenmagneten zu erhellen. Derzeit sind selbst einfache Quantenmagnete noch nicht vollständig verstanden. Quantenmagnete spielen aber auch bei hochaktuellen Themen wie den Hochtemperatur-Kuprat-Supraleitern eine Rolle. RG bietet eine alternative Plattform für die Untersuchung solcher korrelierter Phänomene. Eine Plattform, die durch elektrische Felder, Dehnung usw. einstellbar ist und im Vergleich zu anderen korrelierten Materialien eine sehr einfache Kristallstruktur aufweist. "Diese Ergebnisse sind wirklich hilfreich für das gesamte Forschungsgebiet", sagt Hagymási.

*Anmerkung:  Graphen besteht eigentlich nur aus einer einzigen Lage von vernetzten Kohlenstoff-Atomen , mehrere Lagen solcher Graphen-Schichten werden als Graphit bezeichnet.