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. (Quelle: Helmholtz-Zentrum Berlin – Pressemitteilungen)
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.
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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.
Die komplette Pressemitteilung finden Sie unter:
Rhomboedrischer Graphit als Modell für Quantenmagnetismus
Die Originalpublikation finden Sie unter:
Imre Hagymási, Mohammad Syahid Mohd Isa, Zoltán Tajkov, Krisztián Márity,László Oroszlány, János Koltai Assem Alassaf, Péter Kun, Konrád Kandrai, András Pálinkás, Péter Vancsó, Levente Tapasztó and Péter Nemes-Incze: Observation of competing, correlated ground states in the flat band of rhombohedral graphite. Science Advances (2022), DOI: 10.1126/sciadv.abo6879
Verortung im Helmholtz-Forschungsbereich Information:
Helmholtz-Forschungsbereich Information, Programm 2: Natural, Artificial and Cognitive Information Processing, Topic 1: Quantum Materials
Kontakt:
Dr. Imre Hagymási
Abteilung Theorie von neuen Quantenmaterialien
Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB)
E-Mail: QM-ATQM-office@helmholtz-berlin.de
Kontakt für diese Presseinformation:
Dr. Antonia Rötger
Pressereferentin
Helmholtz Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB)
Tel.: +49 30 8062 – 43733
E-Mail: antonia.roetger@helmholtz-berlin.de
