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Spins in Graphen: ausgerichtet wie die Stachelns eines Igels

HZB-Team weist fundamentale Eigenschaft des Elektronenspins in Graphen nach

Illustration Thomas Splettstößer/HZB

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.

30.07.2015: Seit geraumer Zeit experimentiert ein HZB-Team 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. 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 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. Die Physiker haben nämlich in ihrer Arbeit ein spintronisches Bauteil vorgeschlagen, das die Igelstruktur ausnutzt, um einen 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.

Originalveröffentlichung:
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

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