Neuartige Stromsteuerung in einatomaren Kohlenstoffschichten

(Nanowerk News) Im renommierten Fachjournal Physical Review Letters berichten die Augsburger Physiker PD Dr. Wolfgang H√§usler und Prof. Dr. Dr. h. c. mult. Peter H√§nggi (beide Lehrstuhl f√ľr Theoretische Physik I) gemeinsam mit ihrem Kollegen Prof. Dr. Sergey E. Savel'ev von der Loughborough University √ľber die j√ľngsten Ergebnisse ihrer Forschungen zu der Frage, wie Strom in Kohlenstoffschichten (Graphen) durch zeitlich ver√§nderliche Potentialbarrieren hindurch transportiert wird. Mit diesen Ergebnissen leisten sie einen wesentlichen Beitrag zum besseren Verst√§ndnis des Transmissionsverhaltens solcher Potentialbarrieren. Sie schaffen damit zugleich wichtige Voraussetzungen f√ľr eine Optimierung der M√∂glichkeiten, die an sich nur schwer manipulierbaren Graphen-Ladungstr√§ger zu steuern, um so auf dem Weg zu einer "Graphen-basierten Elektronik" weiter voranzukommen.
Wenn es darum geht, zweidimensionale Elektronensysteme zu realisieren, gelten monoatomare Ebenen aus Kohlenstoff (Graphen) als eine der vielversprechendsten Alternativen zu den bisher in der Mikroelektronik verwendeten und nur mit hohem Aufwand zu produzierenden Halbleiter-Schichtstrukturen. Abgesehen von ihrer wesentlich einfacheren Herstellbarkeit haben Graphenschichten den Vorteil, dass ihre Elektronensysteme deutlich d√ľnner und die Bewegungsgeschwindigkeiten der Ladungstr√§ger deutlich schneller sind als diejenigen in Halbleitern, so dass sie k√ľrzere Schaltzeiten erwarten lassen.
F√ľr die Perspektive einer "Graphen-basierten Elektronik" von zentraler Bedeutung ist allerdings die Frage, welche M√∂glichkeiten elektrostatische Potentiale bieten, um Elektronensysteme in Graphenschichten auch bei hohen Frequenzen zu kontrollieren. Die Antworten, die sie auf diese Frage gefunden haben, geben H√§usler, H√§nggi und Savel'ev in dem am 30. November in den Physical Review Letters ver√∂ffentlichten Artikel "Current Resonances in Graphene with Time-Dependent Potential Barriers".
Seit längerem ist bekannt, dass Ladungsträger in einatomaren Kohlenstoffschichten ein äusserst ungewöhnliches "ultrarelativistisches" Bewegungsverhalten zeigen - ein Verhalten, das grob mit demjenigen von Photonen verglichen werden kann und ansonsten nur bei Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit zu beobachten ist. Dabei liegen die tatsächlichen Bewegungsgeschwindigkeiten der Graphen-Ladungsträger bei nur etwa einem Hundertstel der Lichtgeschwindigkeit und damit durchaus im Bereich des in Metallen Üblichen.
Als Folge ihres ungewöhnlichen Bewegungsverhaltens durchdringen Graphen-Elektronen statische Potentialbarrieren bei senkrechtem Auftreffen perfekt, wie entsprechende Experimente bestätigen. Dies erschwert die Steuerbarkeit der Ladungsträger erheblich, im Vergleich etwa zu "gewöhnlichen" Quantenteilchen in Halbleitern, die durch Potentialbarrieren zwar auch entkommen können, aber, bei Verwendung hoher und dicker Barrieren, eben nur mit ganz geringen Wahrscheinlichkeiten.
Dies wirft die Fragen auf, wie zeitliche Ver√§nderungen der Potentialbarrieren die Tunnelwahrscheinlichkeiten beeinflussen und wie sich dementsprechend die Bewegungen der Ladungstr√§ger durch die Kontrolle des Zeitverlaufes einer angelegten Gatterspannung steuern lassen. H√§usler, H√§nggi und Savel'ev konnten die Grundlagen f√ľr das Verst√§ndnis des Transmissionsverhaltens von Potentialbarrieren nun in zweierlei Hinsicht massgeblich erweitern: Zum einen erm√∂glichen ihre Ergebnisse die Beantwortung der beiden genannten Fragen f√ľr beliebige Barrierenprofile in Verbindung mit beliebigen zeitlichen √Ąnderungen; zum anderen lassen sich jetzt Tunnelwahrscheinlichkeiten auch f√ľr Ladungstr√§ger berechnen, die nicht senkrecht, sondern unter beliebigen Einfallswinkeln auf die Barriere treffen. Damit ist die Voraussetzung geschaffen f√ľr eine gezielte Steuerung der Bewegungsrichtung von Graphen-Ladungstr√§gern, zum Beispiel durch eine entsprechende Ver√§nderung der Frequenzen oszillierender Potentialbarrieren.
Gewissermassen nebenbei ist das Forschertrio aus Augsburg und Loughborough auf ein interessantes, v√∂llig unerwartetes Ph√§nomen gestossen, n√§mlich auf parallel zur Barriere laufende Str√∂me, die unter bestimmten Voraussetzungen sogar bei einem senkrechten Einfall des Ladungstr√§gers auftreten und deren theoretische Beschreibung eine verbl√ľffende Analogie zum Josephson-Verhalten supraleitender Tunnelkontakte zeigt, obwohl Graphen nat√ľrlich nicht supraleitend ist.
Source: Universität Augsburg
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