„Grenzelektronen” für schwaches aber konstantes ferromagnetisches Verhalten verantwortlich Graphit als Magnet - scinexx | Das Wissensmagazin
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„Grenzelektronen” für schwaches aber konstantes ferromagnetisches Verhalten verantwortlich

Graphit als Magnet

Elektronendichte in einer Graphit-Grenzschicht. Die Pfeile zeigen die Richtung des magnetischen Moments. © TU EIndhoven

Graphit besteht zwar aus reinem Kohlenstoff, ist trotzdem magnetisch. Warum dies so ist, haben jetzt niederländische Forscher erstmals gezeigt. Sie entkräften damit auch die bisher diskutierte Hypothese, nach der Verunreinigungen für den Magnetismus des Materials verantwortlich sein sollen. Diese für die Spintronik bedeutsamen Erkenntnisse wurden jetzt in der Fachzeitschrift „Nature Physics“ veröffentlicht.

Graphit ist ein Alltagsmaterial, das uns beispielsweise in der Mine von Bleistiften begegnet, aber auch als Schmiermittel zum Einsatz kommt. Es besteht aus vielen dünnen Kohlenstoffschichten, dem Graphen, die untereinander nur locker verbunden sind, innerhalb der Schichten jedoch fest. Jetzt haben niederländische Wissenschaftler eine weitere Eigenschaft des Graphits nachgewiesen: Diese Erscheinungsvariante des Kohlenstoffs ist auch magnetisch.

Keine Verunreinigungen

Jiri Cervenka und Kees Flipse von der Technischen Universität Eindhoven und Mikhail Katsnelson von der Radboud Universität Nijmegen haben jetzt nicht nur direkte Belege für Ferromagnetismus vorgelegt, sondern auch den zugrundeliegenden Mechanismus beschrieben. Gleichzeitig entkräfteten sie damit auch die bisher gängige Vermutung, nach der Verunreinigungen durch Fremdatome für den Magnetismus des Graphits verantwortlich sind.

Grenzbereichs-Elektronen erzeugen Magnetismus

Sie zeigten, dass im Graphit Bereiche wohlgeordneter Atomanordnungen durch zwei Nanometer breite Grenzstreifen mit „Defekten“ getrennt werden. Die Elektronen in diesen Grenzregionen verhalten sich anders als die in den geordneten und gleichen in ihren Eigenschaften stark denjenigen von ferromagnetischen Materialien wie Eisen oder Kobalt. Die Grenzregionen in den einzelnen Kohlenstoffschichten sind dadurch magnetisch gekoppelt und bilden zweidimensionale Netzwerke, die den ständigen leichten Magnetismus des Graphits erklären.

Überraschenderweise kann damit ein Material, das nur aus Kohlenstoffatomen besteht, durchaus ein schwacher Ferromagnet sein. Das eröffnet neue Ansätze für Spintronik, elektronische Anwendungen Kohlenstoff basierter Materialien, die auf dem Spin, der Eigenbewegung der Elektronen beruht. Spins können über lange Strecken ohne Streuung geleitet werden und lassen sich durch schwache magnetische Felder beeinflussen. Da Kohlenstoff ein Bestandteil vieler Biomoleküle ist und sich besonders gut für Anwendungen im biomedizinischen Rahmen eignet, sehen die Forscher im neuentdeckten Ferromagnetismus dieses Materials neue Möglichkeiten beispielswiese für die Entwicklung von Biosensoren.

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(Eindhoven University of Technology, 05.10.2009 – NPO)

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