Die besonderen elektronischen Eigenschaften von Halbleitermaterialien sind die Grundlage für deren außergewöhnliche Entwicklung in den vergangenen Jahrzehnten. Computerchips, Sensoren, Laser und Solarzellen sind nur ein Teil der zahlreichen Anwendungen, bei denen Halbleitermaterialien zum Einsatz kommen. Die herkömmliche, auf Silizium und verwandten Materialien basierende Technologie stößt jedoch an die Grenzen bei Leistungsfähigkeit und weiterer Miniaturisierung. Neue Werkstoffe sind es, die immer mehr in den Fokus von Forschung und Entwicklung rücken.

Ein Forscherteam unter Beteiligung von Dr. Frank Ortmann von der TU Dresden beschreibt wie in Graphen, einem potentiellen Kandidaten für die Elektronikmaterialien der Zukunft, die elektronischen Eigenschaften und Ladungstransportprozesse durch den Eigendrehimpuls – den Spin – der Elektronen beeinflusst werden. Das aus einer atomaren Kohlenstoffschicht aufgebaute "Wundermaterial" Graphen gilt als der Stoff, der die Grenzen der heutigen Elektroniktechnologie überwinden und so die Zukunft der Elektronik mit prägen kann. Seine besondere physikalische und chemische Beschaffenheit verleiht ihm außergewöhnliche elektrische, mechanische und optische Eigenschaften. So leitet Graphen den elektrischen Strom besser als Kupfer und zählt trotz seiner Dünne zu den härtesten und belastbarsten bekannten Materialien. Darüber hinaus bietet das neue Material die Möglichkeit zur flexiblen Verarbeitung in ultradünnen, nur eine Atomlage umfassenden transparenten Schichten. Zukünftig werden daher für Graphen weitreichende Anwendungsmöglichkeiten in den Bereichen Informations- und Telekommunikationstechnologie, Materialwissenschaft, Energie und Life- Science erwartet.

Während bei der herkömmlichen Elektronik die elektrische Ladung der Elektronen als Signal- oder Energieträger ausgenutzt wird, zielt die jetzt vorgestellte Arbeit auf eine eher subtile, aber äußerst fundamentale Eigenschaft der Elektronen, den Spin. Dieser haftet jedem Elektron an und spielt zum Beispiel bei der Entwicklung von Computerfestplatten eine große Rolle. Diesen Spin auszunutzen ist das Ziel der Spintronik, der Verwendung des Spins für die Elektronik.

Trotz intensiver Forschung in den letzten Jahren sind viele Aspekte der Spintronik in Graphen noch unverstanden, wie etwa die Dynamik der Spin- Polarisation in diesem Material. Das internationale Autorenteam, dem Dr. Ortmann mit Kollegen vom Catalan Institute of Nanoscience and Nanotechnology aus Barcelona angehört, hat nun einen neuen Mechanismus entdeckt, der erklären könnte, warum der Elektronenspin in Graphen so schwierig zu fassen ist und sich konträr zu allen bisherigen Vorhersagen verhält.

Originalveröffentlichung:

„Pseudospin-driven spin relaxation mechanism in graphene“, Oktoberausgabe Nature Physics

http://www.nature.com/nphys/index.html