Spontane Spin-Polarisation in zweidimensionalem Material nachgewiesen

In einer zweidimensionalen Schicht aus Molybdän-Disulfid zwingen die Elektron-Elektron-Wechselwirkungen (blaue Bänder) die Spins der freien Elektronen (violette Kugeln) in die gleiche Richtung. (Abbildung: Departement Physik, Universität Basel)

Physiker der Universität Basel haben in einem zweidimensionalen Material die gleichgerichtete Ausrichtung des Spins freier Elektronen nachgewiesen. Sie beschreiben diese beobachtete spontane Spinpolarisation, die laut eines bekannten Lehrsatzes aus den sechziger Jahren in idealen zweidimensionalen Materialien nicht auftreten kann, in der jüngsten Ausgabe von «Nature Nanotechnology».

Zweidimensionale Materialien sind der Gegenstand zahlreicher Untersuchungen. Sie sind nur einzelne Atomlagen dick und besitzen daher andere physikalische Eigenschaften als ihre dreidimensionalen Äquivalente. Graphen, eine einlagige Schicht von wabenartig angeordneten Kohlenstoffatomen, verspricht dank seiner elektronischen Eigenschaften ganz neue Anwendungen und ist der bekannteste Vertreter dieser Gruppe neuartiger Materialien.

Professor Richard Warburton vom Departement Physik und Swiss Nanoscience Institute der Universität Basel untersucht mit seiner Gruppe zweidimensionale Materialien, die sich auch für optische Anwendungen eignen. Besonders vielversprechend erscheint dabei eine einzelne Monolage von Molybdän-Disulfid (MoS2), da dies im Gegensatz zu Graphen eine Bandlücke aufweist und daher bei Anregung Licht emittieren kann.

Alle in die gleiche Richtung
Bei jüngsten Untersuchungen an zweidimensionalen Molybdän-Disulfid-Schichten erlebten die Doktoranden Jonas Roch und Nadine Leisgang zusammen mit den Post-Docs Guillaume Froehlicher and Peter Makk eine grosse Überraschung. Sie befüllten die MoS2-Schicht mit freien Elektronen und legten daran ein schwaches Magnetfeld an.

Daraufhin zeigte der Eigendrehimpuls (Spin) aller freien Elektronen in dieselbe Richtung und liess sich bei Umkehrung des Magnetfeldes in die andere Richtung «schalten». Dieses als «spontane Spin-Polarisation» bezeichnete Phänomen war vollkommen unerwartet. Seit den sechziger Jahren existiert ein Lehrsatz, der eine spontane Spin-Polarisation in einem idealen zweidimensionalen Material ausschliesst.

«Wo kommt die Spinpolarisation her? Die Elektronen interagieren miteinander. Zudem gibt es in Molybdän-Disulfid eine sehr schwache Spin-Bahn-Kopplung, die wohl einen sehr grossen Einfluss auf das System hat», erklärt Jonas Roch.

Bei der Aufstellung des Lehrsatzes von 1966 wurde angenommen, dass keine Spin-Bahn-Wechselwirkung vorhanden ist. «Die Ergebnisse zeigen, wie spannend experimentelle Physik sein kann und wie wir immer wieder Neues über die zweidimensionalen Materialien lernen», bemerkt Richard Warburton.

Die Arbeit wird vom Swiss Nanoscience Institute, dem Schweizerischen Nationalfonds, dem NCCR QSIT sowie der PhD School QCQT des Departments Physik der Universität Basel unterstützt.

 

Originalarbeit
Jonas Gaël Roch, Guillaume Froehlicher, Nadine Leisgang, Peter Makk, Kenji Watanabe,
Takashi Taniguchi and Richard John Warburton
Spin-polarized electrons in monolayer MoS2
Nature Nanotechnology (2019), http://dx.doi.org/10.1038/s41565-019-0397-y

Weitere Auskünfte
Prof. Dr. Richard Warburton, Universität Basel, Departement Physik
Tel. +41 61 207 3560, E-Mail: richard.warburton@unibas.ch

Forschungsgruppe von Prof. Richard Warburton