Ein Verwandter des Quanten-Tunnelns: von Defekten verstärkte Leitfähigkeit

Physiker der FAU und des Max-Planck-Instituts (MPI)in Halle konnten ein aktuelles Rätsel der Festkörperphysik auflösen

Ein fundamentales Phänomen der Quantenphysik ist das Tunneln eines Elektrons durch eine Barriere, die nach klassischen Regeln eigentlich undurchdringlich wäre. Dieser Effekt, der auf die Wellennatur der Materie zurückgeht, ist wegen der exponentiell abklingenden Wellenfunktion in der Barriere nur über kürzeste Distanzen wirksam, beispielsweise über weniger als einen Nanometer bei der Abbildung einzelner Atome in der Rastertunnelmikroskopie.

Es war deshalb erstaunlich, als vor etwa einem Jahrzehnt entdeckt wurde, dass in Einzellagen- und Doppellagen-Graphen – das ist ein oder zwei atomare Schichten dickes Graphit – der elektrische Strom über tausend Mal längere Distanzen durch solche exponentiell abklingenden Wellenfunktionen floss. Dieser neue Mechanismus des Elektronentransports war aber so maskiert, dass er kaum vom normalen Elektronentransport in einem gewöhnlichen Leiter unterschieden werden konnte. Der Effekt schien zunächst gut verstanden, stellte sich dann aber bald als noch viel komplizierter dar, als in einigen aufsehenerregenden Experimenten scheinbar identische Doppellagen-Proben sich entweder gut leitfähig oder aber – genau gegenteilig – stark isolierend verhielten. Dieser Widerspruch stellte die Festkörperphysik vor ein Rätsel. In einer Reihe viel beachteter Arbeiten wurden exotische neue Zustände der Materie vorgeschlagen, die aber wiederum nur den isolierenden Teil der Ergebnisse beschrieben.

Theorie des Elektronentransports von defektbehafteten Doppellagen

Schemazeichnung einer elektrisch kontaktierten Graphen-Doppellage mit einem Liniendefekt. Dieser grenzt zwei farblich markierte Bereiche mit unterschiedlicher Stapelung ab. Unten: Die Form der quantenmechanischen Wellenfunktion ist nicht, wie üblich, eine sinusförmige Welle, sondern verhält sich exponentiell. Erstaunlicherweise vergrößert so der Defekt die Leitfähigkeit. (Bild: Heiko Weber,Konrad Ullmann)

Während die weltweite Forschung auf diesem Gebiet sich darauf fokussierte, diese Phänomene mit einem als perfekt angenommenen Material zu erklären, beschritten die FAU-Forscher Dr. Sam Shallcross und Prof. Heiko B. Weber, in Zusammenarbeit mit Dr. Sangeeta Sharma vom MPI in Halle, einen anderen Weg: Sie entwickelten eine Theorie des Elektronentransports von defektbehafteten Doppellagen, insbesondere mit Stapelfehlern, die den Falten in einer zweilagigen Tischdecke ähneln. Solche Partialversetzungen wurden vor wenigen Jahren an der FAU in der Graphen-Doppellage entdeckt und untersucht. Für die Theorie wurde eine neue Methode zur Berechnung der elektronischen Struktur in Doppellagen entwickelt, die genau solche Stapelfehler erstmals sehr gut berücksichtigen kann. Werden sie auf die Graphen-Doppellage angewandt, entsteht ein neuer Typ des Elektronentransports, dessen mathematische Struktur die des Tunnelns ist, aber qualitativ neue Physik hervorbringt: Es zeigt sich, dass Strom unter Umständen besser fließen kann, wenn Hindernisse im Weg liegen.

Zu ihrer eigenen Überraschung fanden Shallcross, Sharma und Weber heraus, dass diese elektronische Struktur sich je nach Position entweder isolierend oder leitend verhalten kann, genau wie in den zuvor rätselhaften Experimenten. Somit ist eine umfassende Beschreibung der gesamten Phänomenologie der Graphen-Doppellage gelungen, ohne dass neue exotische Phasen postuliert werden müssen.

Dieses theoretische Konzept kann auf viele Vertreter einer ganzen Materialklasse, der neuen und aufregenden zweidimensionalen Materialien angewendet werden. Die Arbeit beleuchtet wiederum die grundlegenden Unterschiede im Ladungstransport, wenn von der gewöhnlichen dreidimensionalen Welt auf zweidimensionale Materialien übergegangen wird.

Die Ergebnisse wurden nun in der renommierten Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht (DOI: 10.1038/s41467-017-00397-8).

Die Arbeit entstand als Zusammenarbeit innerhalb des Sonderforschungsbereichs 953, „Synthetische Kohlenstoff-Allotrope”.

Weitere Informationen:

Prof. Dr. Heiko Weber
Tel.: 09131/85-28421
heiko.weber@fau.de