Graphen ist das dünnste Material, das es gibt – besteht es doch nur aus einer einzelnen Schicht wabenartig angeordneter Kohlenstoffatome. Seine Entdeckung vor einigen Jahren hat eine wahre Forschungslawine losgetreten. Dabei kamen gleichermaßen bizarre wie vielversprechende Eigenschaften ans Licht. So bewegen sich die Elektronen im Graphen mit einem solchen Tempo, als ob sie keinerlei Masse hätten. Das macht diesen Werkstoff interessant für vielerlei Anwendungen wie schnelle elektronische Schalter und hochempfindliche Sensoren.

Zunächst aber gilt es, die exotischen Eigenschaften des Materials besser zu verstehen. In diesem Bemühen hat ein Forscherteam um Young Jae Song vom National Institute of Standards and Technology (NIST) nun die Energieniveaus der Elektronen in einer Graphenschicht unter die Lupe genommen. Als Instrument dazu diente das erst kürzlich entwickelte, leistungsfähigste Rastertunnelmikroskop der Welt. Es erlaubt Untersuchungen im Ultrahochvakuum und bei extrem niedrigen Temperaturen bis zu einem Hundertstel Kelvin.

Mit diesem Gerät konnten die Forscher nun erstmals zeigen, dass sich die Energieniveaus des Graphens beim Anlegen eines Magnetfelds zu einem „Quartett“ aus vier Unterniveaus aufspalten. Das hatten Theoretiker erwartet. Völlig unerwartet war jedoch, was beim Erhöhen der Feldstärke auf bis zu 14 Tesla geschah. Zwar wurde der Abstand zwischen den Niveaus zunächst brav immer größer, doch bei etwa sieben Tesla brach das reinste Chaos aus: Mal rückten die Niveaus näher zusammen, mal auseinander; vor allem aber spalteten sie sich weiter auf.

Der Grund dafür ist völlig rätselhaft. Möglicherweise bilden die Elektronen eine Art Kondensat, in dem sie sich nicht mehr einzeln, sondern im Verbund bewegen, spekulieren die Forscher. Weitere Experimente sollen demnächst Klarheit bringen.

Manuela Kuhar