Elektronen in Graphen können in ihren Bahnen gestoppt werden
Bei Graphen handelt es sich um eine fundamentale physikalische Form von Kohlenstoff mit einer hexagonalen Honigwabenstruktur. In dieser hexagonalen Anordnung bewegen sich Elektronen so, als hätten sie keine Masse. Graphen-Elektronen werden als Dirac-Elektronen bezeichnet, da diese exakt derselben Gleichung entsprechen, wie masselose Teilchen, die sich bei Lichtgeschwindigkeit bewegen – Photonen. Ihre Geschwindigkeit ist ca. 300 Mal langsamer als die Lichtgeschwindigkeit, im Vergleich zu anderen Materialien aber immer noch äußerst hoch. Wissenschaftler starteten das Projekt HOWTOCONTROLGRAPHENE (Search for mechanisms to control massless electrons in graphene), um den Elektronenfluss zu kontrollieren, da es mit einem elektrischen Feld nicht möglich ist, ein masseloses Elektron anzuhalten. Wissenschaftler fanden heraus, dass die Strukturgrenzen von Graphen eine effektive Steuerung von Dirac-Fermionen ermöglichen. Es wurde geschlussfolgert, dass sich lediglich mit einem einzigen Parameter eine große Klasse an Einschränkungen beschreiben lässt, welche die Dichte elektronischer Zustände und die Ausbreitungsgeschwindigkeit entlang der Grenze bestimmen. Die Einzelparameter-Randbedingung stellt eine effiziente Alternative zu mikroskopischen Computersimulationen dar. Basierend hierauf ist es möglich, die Abwesenheit von Intervalley-Streuung für ein breites Spektrum an Randrekonstruktionen und Randorientierungen vorherzusagen. Grenzzustände entlang der Graphen-Supraleiter-Schnittstellen können eine Supraleitfähigkeit erreichen, die zu ungeladenen Spinströmen führt. Dies ist eine wichtige Erkenntnis, da Elektronen ohne Masse, die ohne Widerstand in Graphen strömen, zu innovativen Spintronik-Geräten führen könnten. Graphen, das mit atomarem Wasserstoff reagiert, kann diesen in einen Isolator verwandeln. Obgleich das Graphenderivat nach wie vor das hexagonale Gitter beibehält, wird dessen Periode weitaus kürzer. In der Literatur liegen konfligierende Ergebnisse dazu vor, ob oder ob nicht über zufällige Massen Dirac-Fermionen lokalisiert werden können, welche Graphen von einem Metall in einen Isolator verwandeln. Wissenschaftler lösten dieses Problem über einen Vergleich des Verhaltens von Dirac-Fermionen in Graphen und in topologischen Isolatoren. Gestützt durch Computersimulationen zeigten die Resultate eindeutig, dass es in Graphen bei einer zufälligen Masse keine metallische Phase gibt. Die dichte Annäherung von Dirac-Fermionen an einen Supraleiter-Zustand kann diese in ein Majorana-Fermionenpaar verwandeln. Diese Fermionen sind im Gegensatz zu Dirac-Fermionen ihre eigenen Antiteilchen. Wissenschaftler lieferten mit einer „nicht-abelschen Statistik“ Beweise für diese schwer fassbaren Teilchen, die als ideale Bausteine für einen Quantencomputer dienen können.
Schlüsselbegriffe
Graphen, schnelle Elektronik, masselos, Dirac-Fermionen, Grenzzustände, Majorana-Fermion, Quantencomputer
