Wenn der Donut zum Apfel wird

Wundersame Graphen-Topologien bei Nano-Strukturen

| Autor / Redakteur: Barbara Vonarburg / Rainer Graefen

Anastasia Varlet bereitet ein Experiment nahe am absoluten Nullpunkt vor.
Anastasia Varlet bereitet ein Experiment nahe am absoluten Nullpunkt vor. (Peter Rüegg, ETH Zürich)

In Experimenten mit dem «Wundermaterial» Graphen konnten ETH-Forscher ein Phänomen nachweisen, das ein russischer Physiker vor über 50 Jahren vorhergesagt hatte. Sie untersuchten eine Schichtstruktur, von der sich die Fachleute ungeahnte Möglichkeiten erhoffen.

Anastasia Varlet arbeitet als Doktorandin in der Forschungsgruppe von ETH-Professor Klaus Ensslin am Laboratorium für Festkörperphysik. Ihr gelang es, zwei Forschungspapers in der renommierten amerikanischen Fachzeitschrift "Physical Review Letters" hintereinander zu publizieren.

Beide Arbeiten stützen sich auf Messungen am selben elektronischen Bauelement, einer Sandwichkonstruktion mit Graphen – einem Material aus Kohlenstoff, das eine bienenwabenförmige Schicht bildet, die nur ein Atom dick ist. Einlagiges Graphen ist extrem stabil, elastisch und leitfähig.

Der Lifshitz-Übergang

Besonders interessant für elektronische Anwendungen wird das "Wundermaterial", wenn man zwei Schichten übereinander legt. Das doppellagige Graphen wird zum Halbleiter, mit dem sich elektronische Schalter konstruieren lassen.

Die Qualität von Varlets Bauelement aus doppellagigem Graphen war so gut, dass die Forscherin bei ihren Messungen ein völlig unerwartetes Resultat erzielte. "Wir konnten einen sogenannten Lifshitz-Übergang nachweisen", sagt sie.

Um zu erklären, worum es sich dabei handelt, greifen die Physiker zu Kaffeetasse und Wasserglas. Die Tasse hat einen Henkel mit einem Loch. Daher ist es möglich, ein geometrisch definiertes Objekt von der Form einer Tasse mit mathematischen Funktionen in einen Donut zu verformen.

Auch ein solcher besitzt ein Loch. Ein Glas hingegen lässt sich wegen des fehlenden Lochs nicht in einen Donut verformen. Mathematisch gesprochen hat eine Tasse dieselbe Topologie wie ein Donut. "Ein Glas hingegen ist topologisch das Gleiche wie ein Apfel", erklärt Ensslin.

Drei Inseln im See

Verändert man die Topologie eines Objekts, kann man dessen Zweckmäßigkeit verbessern, zum Beispiel wenn man einen Becher in eine Tasse mit Henkel verwandelt. Eigentlich ist das gar nicht möglich. Dennoch gelang nun genau dies den ETH-Forschern mit Hilfe von doppellagigem Graphen.

Denn ein Lifshitz-Übergang ist ein Wechsel von einer Topologie zu einer anderen. Benannt ist er nach einem russischen Physiker, der diese Möglichkeit 1960 vorausgesagt hat. Allerdings geht es dabei nicht um Objekte in unserer normalen Umgebung.

Vielmehr untersuchen die Physiker bei elektronischen Materialien eine abstraktere Topologie von Flächen, mit denen die Energiezustände der Elektronen beschrieben werden. Insbesondere betrachten die Forscher Flächen konstanter Energie, denn diese bestimmen die Leitfähigkeit des Materials und damit deren Anwendungspotential.

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