Im Labor: Spannung verschiebt Graphenlagen und schaltet Magnetismus

Graphit und Diamant bestehen aus denselben Kohlenstoffatomen, und doch ist das eine weich und dunkel, das andere hart und klar. Der Unterschied rührt von der Anordnung der Atome her. Diese zu verändern bedeutet in einem Material meist, starke chemische Bindungen zu lösen und neu zu knüpfen – ein langsamer, energiehungriger Prozess, der hohen Druck und hohe Temperatur erfordert.

In Cornell hat das Labor von Kenji Yasuda, Assistenzprofessor an der School of Applied and Engineering Physics, einen anderen Weg versucht. Das Team, bei den Experimenten angeführt von Doktorand Daniel Brandon, arbeitete mit einem Stapel aus vier Lagen Graphen – einem Material, das nur ein Atom dick ist und aus Kohlenstoffatomen in einem Sechseckmuster besteht. Die Studie wurde am 14. Oktober in Nature Nanotechnology veröffentlicht.

Der Trick liegt in den Bindungen zwischen den Lagen. Es handelt sich um van-der-Waals-Bindungen, die viel schwächer sind als die Bindungen innerhalb jeder Lage. Das Anlegen einer Spannung ließ die Lagen übereinander gleiten, eine Bewegung, die die Forscher als Gleiten bezeichnen. Der Stapel wechselte von der häufigsten und stabilsten Anordnung, der Bernal-Stapelung, die nichtmagnetisch ist, zu einer selteneren und weniger stabilen, der rhomboedrischen Stapelung. Diese wird mit Magnetismus, Supraleitung und anderen exotischen Quantenphänomenen in Verbindung gebracht. Yasuda beschreibt das Ziel als die Suche nach einer Möglichkeit, die Struktur eines Materials effizienter zu verändern und dennoch für die Technik nutzbar zu machen.

Die Forscher heben eine Eigenschaft hervor: Der Wechsel ist nichtflüchtig. Einmal im neuen Zustand, bleibt das Material dort, weshalb Brandon das Gleiten als eine Form von Speicher beschreibt. Das Team sagt, der Wechsel lasse sich mit Spannung umkehren, und das Material pendle ziemlich zuverlässig zwischen den beiden Zuständen hin und her. Die Studie berichtet nicht, wie viele Schaltzyklen das Verfahren übersteht, noch wie es sich außerhalb des Labors verhalten würde.

Für Materialforscher bietet das Ergebnis einen Hebel, der elektrisch funktioniert statt über extremen Druck oder Hitze, und Yasuda sagt, er könnte sich über den Magnetismus hinaus auf Supraleitung und andere Quantenzustände erstrecken. Anwendungen wie nichtflüchtiger Speicher bleiben eine Perspektive, die die Autoren nennen, kein Produkt. Die Studie nennt weder einen Zeitplan noch ein Bauteil; die Vorführung bleibt vorerst ein Vierlagen-Graphenstapel im Labor.