Ballistische Graphen-basierte Dirac-Systeme

• Antragsteller: Professor Dr. Klaus Richter
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 351503630

Die Entwicklung einer neuen Generation von Graphene-Proben mit höchster Beweglichkeit ermöglicht neuerdings ballistische Bewegung von Dirac Fermionen über Distanzen von vielen Mikrometern, was seit kurzem zu einem wieder erwachten, sehr großem Interesse an kohärentem Ladungstransport und Interferenz-Phänomenen in Graphen geführt hat. Da sich die Ladungsträger in ballistischem Graphen wie "geladene Photonen" verhalten, die sowohl elektronische als auch wellenoptische Eigenschaften aufweisen, eröffnen diese neuen experimentellen Entwicklungen, in Kombination mit ausgefeilten Gating-Techniken, die prinzipielle Möglichkeit, Ladungsträgerflüsse gezielt zu kontrollieren. Damit gelangen echte Elektronen-optische Phänomene von Dirac Fermionen in Graphen in experimentelle Reichweite. Allerdings ist trotz der bemerkenswerten experimentellen Entwicklung die wirkliche Kontrolle der Elektronenpropagation in Graphen bisher noch begrenzt. Wir schlagen daher die Untersuchung verschiedener Elektronen-optischer Phänomene in ballistischem Graphen vor, unter Einbeziehung von Transport, Interferometrie und der gezielten Steuerung und Kollimation der Dirac-artigen Elektronenwellen. Dabei können wir auf erfolgreiche Kooperationen mit experimentellen Gruppen in diesem Gebiet aufbauen, die im Rahmen des Vorhabens ausgebaut werden sollen. Es umfasst insbesondere die folgenden unter einander verknüpften Zielsetzungen: Wir planen zum einen die Entwicklung von Proofs of concept und von optimierten Geometrien für Graphen-basierte Michelson und Mach-Zehnder Interferometer in Kooperation mit der Schönenberger-Gruppe in Basel. Des Weiteren werden wir uni- und bipolare Graphen-Konfigurationen für die elektrisch und magnetisch kontrollierte Führung von Ladungsträgern entwickeln, da derartige Mechanismen eine Voraussetzung für Elektronen-Optik und -Interferometrie darstellen. Schlussendlich werden wir unter Verwendung von p-n und p-n-p basierten Kavitäten in Graphen, die als Resonatoren für und Emitter von Elektronen dienen, einen alternativen Zugang zur effizienten Erzeugung schmaler, kollimierter Elektronenstrahlen verfolgen. Unter Übertragung von Konzepten aus der mesoskopischen Optik werden wir die entsprechenden Kavitäten nutzen, um hochgradig ausgerichtete Ströme von Ladungsträgern in Graphen zu generieren. Ein quantitatives Verständnis und zuverlässige Vorhersagen derartiger Effekte erfordert die Anwendung ausgereifter Quantentransport-Simulationskodes für großskalige Graphenflächen in Kombination mit einer realistischen Modellierung der Elektrostatik dieser Systeme.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Schweiz
• Kooperationspartner: Professor Dr. Christian Schönenberger