Forschung zum Wundermaterial Graphen Forscher machen Graphen-Scheiben zu Elektromagneten

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Graphen wird häufig als Wundermaterial bezeichnet, das in Form von Stapeln etwa Datenspeicher mit niedrigem Stromverbrauch für Quantencomputer liefern könnte. Forschende der Universität Duisburg-Essen haben mikrometerkleine Graphen-Scheiben kurzzeitig zu Elektromagneten gemacht, was künftig in der Entwicklung von Magnetschaltern und -speichern interessant werden könnte.

Graphen hat aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaften in verschiedenen wissenschaftlichen und technologischen Bereichen großes Interesse geweckt. Bei Graphen handelt es sich um eine einlagige Struktur von Kohlenstoffatomen, die in einem hexagonalen Gitter angeordnet sind, ähnlich wie Bienenwaben, die erst 2004 entdeckt wurde. Es ist die grundlegende Bausteineinheit von Kohlenstoffmaterialien wie Graphit.

Seine hohe elektrische Leitfähigkeit, mechanische Festigkeit, chemische Beständigkeit und viele weitere Eigenschaften sorgen dafür, dass Graphen für Anwendungen unter anderem in der Elektronik, in Sensortechnologien, Materialwissenschaften und in der Medizin erforscht wird. Und so gibt es regelmäßig spannende Erfolgsmeldungen von Teams, die Graphen und sein Verhalten unter bestimmten Voraussetzungen erforschen.

Anfang Dezember 2023 machte etwa die Nachricht von einem Team der Universität Duisburg-Essen mit seinen Arbeiten am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) die Runde, dass mikrometerkleine Scheiben aus Graphen unter bestimmten Voraussetzungen kurzzeitig zu starken Magneten werden – wenn sie nämlich mit kurzen Terahertz-Blitzen beschossen werden.

Der Versuchsaufbau grob erklärt

Der Versuchsaufbau umfasste folgendes Vorgehen: Mittels etablierter Halbleiter-Techniken wurden Tausende von winzigen, mikrometerkleinen Graphen-Scheiben auf einem Chip aufgebracht. Anschließend beschoss das Team von Forschenden den Chip mit einer Strahlung, die zwischen dem Mikrowellen- und Infrarotbereich liegen, und zwar kurzen Terahertz-Blitzen, die sich mit einer, bildlich gesprochen, schraubenförmigen Bewegung durch den Raum bewegten. Dafür wurde am HZDR der Freie-Elektronen-Laser FELBE genutzt.

Das Ergebnis überraschte die Forschenden, die in der Ankündigung zu ihrer Studie im Online-Journal Nature Communications von Verblüffung schreiben. „Die winzigen Graphen-Scheiben wurden kurzzeitig zu Elektromagneten“, berichtet HZDR-Physiker Dr. Stephan Winnerl. „Dabei konnten wir Magnetfelder im Bereich von 0,5 Tesla erzeugen, das entspricht in etwa dem Zehntausendfachen des Erdmagnetfelds.“ Er erklärt weiter, dass es sich dabei um kurze Magnetpulse handelte, nur etwa zehn Pikosekunden lang, der hundertste Teil einer Milliardstelsekunde.

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Eine Entwicklung für Magnet-Elektronik?

Die Forschenden sehen in dem entdeckten Verhalten auf lange Sicht ein mögliches Entwicklungs- und Einsatzgebiet in der Magnet-Elektronik. So stellt man sich vor, dass die Graphen-Scheiben sehr schnelle und präzise magnetische Schaltprozesse ausführen könnten.

„Interessant könnte das zum Beispiel für die magnetische Speichertechnik sein, aber auch für die sogenannte Spintronik – quasi eine Art Magnet-Elektronik. Hier sollen in einem Prozessor keine Ladungen mehr fließen, sondern schwache Magnetfelder in Form von Elektronen-Spins weitergereicht werden, ähnlich wie winzige Staffelhölzer. Das könnte, so die Hoffnung, die Schaltprozesse noch einmal deutlich beschleunigen“, schreibt das HZDR. Allerdings, das wird eingeräumt, müssten für einen Einsatz von Graphen-Scheiben als schaltbare Elektromagnete auch sehr kleine, hochminiaturisierte Terahertz-Quellen erfunden werden. (sb)

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