TU-Physiker rechnen mit dem 2-D-Kohlenstoff.
Graphit besteht – im Gegensatz zu Diamant – aus flachen, quasi zweidimensionalen Schichten von in Sechsecken angeordneten Kohlenstoffatomen. Eine einzelne solche Schicht nennt man Graphen. Um sie möglichst sauber zu halten, stecken sie Physiker in Aachen zwischen zwei Schichten aus Bornitrid wie eine Scheibe Käse zwischen zwei Toastscheiben. Dann schneiden sie kleine Stücke aus diesem Toast und messen, wie elektrischer Strom durch solche Engstellen fließt. Graphen und Graphit leiten ja – wieder im Gegensatz zu Diamant – den Strom, denn sie enthalten Elektronen, die nicht strikt an einzelne Atome gebunden sind.
Es kommt auf den Rand an
Da Elektronen stets auch Wellen sind, wird ihre Energie dadurch bestimmt, in welche Bereiche sie eingeschlossen sind, wie bei einer Gitarrensaite, deren Länge ihre Tonhöhe bestimmt. Und wie bei einer Gitarre die Tonhöhe sich nur in tonalen Sprüngen ändert, so variiert auch die Energie eines in einen Kasten (hier: in ein kleines Stück Graphen-Toast) gesperrten Elektrons nur in Sprüngen, in Quanten. Das beeinflusst auch den Strom: Er wächst nicht kontinuierlich, wenn man die Energie erhöht, sondern in bestimmten Stufen, immer dann, wenn sich gerade eine weitere Schwingung im Graphen ausgeht. Das ergaben die Messungen in Aachen.
Larisa Chizhova und Florian Libisch an der TU Wien haben diese Messungen in quantenmechanischen Rechnungen simuliert. Besonderen Einfluss auf die elektronischen Eigenschaften haben die Ränder der Stücke, die ja, so Libisch, „nie völlig gerade, sondern auf atomarer Skala betrachtet immer gezackt sind“. Doch mit speziellen Computercodes, die auf dem TU-Hochleistungsrechner VSC3 auf Hunderten Prozessoren parallel laufen, gelang gute Übereinstimmung mit dem Experiment. (tk)
("Die Presse", Print-Ausgabe, 21.05.2016)