Magnetisches Graphen

Reines Graphen wurde bisher magnetisiert, indem es mit magnetischen Fremdstoffen verunreinigt wurde. Dies kann jedoch die elektrischen Eigenschaften von Graphen verschlechtern. Jing Shi und seine Kollegen von der University of California in Riverside gelang nun die Magnetisierung von Graphen ohne Verunreinigung. In der Fachzeitschrift „Physical Review Letters“ berichteten die Forscher über ferromagnetische Eigenschaften von Graphen, die durch ein magnetisches Material hervorgerufen werden.

Das Forscherteam um Shi brachte einen dünnen Graphenfilm auf ein Yttrium-Eisen-Granat Substrat auf und untersuchten das Magnetfeld dieses Materials mit einer Hall-Effekt-Messung. Dabei befindet sich die Graphenschicht in einem Magnetfeld, während senkrecht dazu ein Strom durch das Graphen fließt. Das Magnetfeld verursacht ein Ablenken der Elektronen im Graphen, sodass eine Spannung senkrecht zum Stromfluss entsteht. Aus der Messung dieser sogenannten Hall-Spannung haben die Forscher den Hallwiderstand bestimmt. Dieser zeigte Abweichungen vom linearen Verlauf, der beim normalen Hall-Effekt in Metallen auftritt. Der beobachtete Verlauf des Hallwiderstands in Abhängigkeit vom Magnetfeld deutete stattdessen auf einen Ferromagneten hin. 

Durch die Kontaktierung mit dem Yttrium-Eisen-Granat richte sich der Spin, auch Eigendrehimpuls genannt, der Elektronen im Graphen in die gleiche Richtung aus, erklärt Shi. Dies kann man sich als Rotation der Elektronen um sich selbst vorstellen, die sich beim Ausrichten in die selbe Richtung drehen und so ein gleichgerichtetes magnetisches Moment erzeugen. So entsteht ein Magnetfeld mit ferromagnetischen Eigenschaften. Dabei wird die Ausrichtung der Spins vermutlich durch eine Kopplung der Bahnbewegung der Elektronen des Graphens mit dem Eigendrehimpuls der Elektronen im Yttrium-Eisen-Granat verursacht, die wiederum mit dem Eigendrehimpuls der Graphenelektronen in Wechselwirkung treten. Im reinen Graphen gibt es ebenfalls solche Spin-Bahn-Kopplungs-Effekte, bei denen sich der Eigendrehimpuls und die Bahnbewegung der Elektronen im Graphen beeinflussen. Diese sind jedoch zu gering, um sie detektieren zu können. Durch das Yttrium-Eisen-Granat hat Shi diesen Effekt nun verstärkt, um die Magnetisierung von Graphen sichtbar zu machen. Dies könnte in der Zukunft noch weitere Eigenschaften von Graphen aufdecken.