Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Neues Teilchen könnte Grundlage energiesparender Elektronik bilden

17.03.2016

Das erst im vergangenen Jahr entdeckte Weyl-Fermion bewegt sich in Materialien praktisch ohne Widerstand. Nun zeigen Forscher einen Weg, wie man es in elektronischen Bauteilen einsetzen könnte.

Elektronische Geräte verbrauchen heute viel Energie und müssen aufwendig gekühlt werden. Ein Ansatz für die Entwicklung von zukünftiger energiesparender Elektronik ist, besondere Teilchen zu nutzen, die nur im Inneren von Materialien existieren, sich dort aber praktisch ungestört bewegen.


Ein Teil des PSI-Forschungsteams, das die Möglichkeiten der Nutzung von Weyl-Fermionen in elektronischen Geräten untersucht hat. Von links nach rechts: Jihwey Park, Ekaterina Pomjakushina, Nan Xu.

Foto: Paul Scherrer Institut/Mahir Dzambegovic

Elektronische Bauteile auf Grundlage dieser sogenannten Weyl-Fermionen würden deutlich weniger Energie verbrauchen als heutige Chips. Denn bislang wird die Bewegung von Elektronen genutzt, die jedoch im Material Widerstand erfährt und daher zu Energieverlusten führt.

Weyl-Fermionen sind erst im vergangenen Jahr von mehreren Forscherteams – darunter Forscher des Paul Scherrer Instituts PSI – nachgewiesen worden. Nun haben Forschende des PSI im Rahmen einer internationalen Zusammenarbeit mit Kollegen von zwei Forschungseinrichtungen in China und von den beiden ETH in Zürich und Lausanne gezeigt, dass es Materialien gibt, in denen nur eine Art Weyl-Fermion existiert. Das ist für den Einsatz in elektronischen Bauteilen entscheidend, weil es dadurch möglich wird, den Fluss der Teilchen im Material gezielt zu steuern. Die Forschenden berichten über ihre Ergebnisse im Fachjournal Nature Communications.

Im vergangenen Jahr gehörten Forschende des Paul Scherrer Instituts PSI zu denen, die ein bereits in den 1920er Jahren vorausgesagtes Teilchen experimentell nachgewiesen haben – das Weyl-Fermion. Zu den Besonderheiten des Teilchens gehört, dass es nur im Inneren von Materialien existieren kann.

Nun haben die PSI-Forschenden zusammen mit Kollegen zweier chinesischer Forschungseinrichtungen sowie von den beiden ETH in Zürich und Lausanne eine Nachfolgeentdeckung gemacht, die die Möglichkeit eröffnet, die Bewegung von Weyl-Fermionen in zukünftigen elektronischen Geräten zu nutzten. Solche Geräte würden deutlich kleiner und energiesparender sein als ihre heutigen Entsprechungen.

Heutige Computerchips nutzen den Fluss von Elektronen, die sich durch die Drähte des Bauteils bewegen. Da Elektronen auf ihrem Weg immer wieder miteinander oder auch mit anderen Teilchen im Material kollidieren, ist relativ viel Energie notwendig, um den Fluss aufrechtzuerhalten. Dadurch verbraucht das Gerät nicht nur viel Energie, es heizt sich auch stark auf, sodass eine aufwendige Kühlung nötig wird, die zusätzlichen Platz und Energie benötigt.

Weyl-Fermionen bewegen sich dagegen so gut wie ungestört durch das Material, spüren also praktisch keinen Widerstand. „Man kann das mit einer Autofahrt auf einer Autobahn vergleichen, auf der sich alle Autos ungehindert in dieselbe Richtung bewegen. Der Elektronenfluss in heutigen Chips erinnert hingegen eher an eine Fahrt in einer engen Stadt, in der Autos aus verschiedenen Richtungen kommen und einander behindern“, erklärt Ming Shi, leitender Wissenschaftler am PSI.

Wichtig für Elektronik: nur eine Sorte Teilchen

Während in den Materialien, die im vergangenen Jahr untersucht wurden, stets mehrere Arten von Weyl-Fermionen auftraten, die sich auf unterschiedliche Weise bewegen, haben die PSI-Forschenden und ihre Kollegen nun ein Material vorgestellt, in dem nur ein Typ Weyl-Fermion vorkommt. „Das ist wichtig für Anwendungen in der Elektronik, weil man hier im Stande sein muss, den Teilchenfluss genau zu steuern“, erklärt Nan Xu, der als Postdoktorand am PSI arbeitet.

Weyl-Fermionen sind nach dem deutschen Mathematiker Hermann Weyl benannt, der deren Existenz bereits im Jahr 1929 vorausgesagt hat. Diese Teilchen haben einige auffällige Eigenschaften; so haben sie zum Beispiel keine Masse und bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit. Weyl-Fermionen wurden als Quasiteilchen in sogenannten Weyl-Halbmetallen beobachtet.

Im Gegensatz zu „wirklichen“ Teilchen können Quasiteilchen nur im Inneren von Materialien existieren. Weyl-Fermionen entstehen durch die gemeinsame Bewegung der Elektronen in geeigneten Materialien. Allgemein lassen sich Quasiteilchen mit Wellen auf einer Wasseroberfläche vergleichen: Die Wellen würden ohne das Wasser nicht existieren. Gleichzeitig ist ihre Bewegung unabhängig von der Bewegung des Wasserkörpers.

Das Material, das die Forschenden nun untersucht haben, ist eine Verbindung der chemischen Elemente Tantal und Phosphor und trägt die chemische Formel TaP. Die entscheidenden Experimente wurden mit Röntgenlicht an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS des Paul Scherrer Instituts durchgeführt.

Neuartige Materialien zu untersuchen, die Eigenschaften haben, wie sie in zukünftigen elektronischen Geräten nützlich sein könnten, ist ein zentrales Forschungsgebiet des Paul Scherrer Instituts. Dabei verfolgen die Forschenden vielfältige Ansätze und nutzen zahlreiche unterschiedliche Untersuchungsmethoden.

Text: Paul Scherrer Institut/Paul Piwnicki

Kontakt/Ansprechpartner:
Prof. Dr. Ming Shi, Forschungsgruppe Spektroskopie neuartiger Materialien, Paul Scherrer Institut, 5232 Villigen PSI, Telefon: +41 56 310 23 93; E-Mail: ming.shi@psi.ch (Englisch, Chinesisch)
Dr. Nan Xu, Forschungsgruppe Spektroskopie neuartiger Materialien, Paul Scherrer Institut, 5232 Villigen PSI, Telefon: +41 56 310 51 41, E-Mail: nan.xu@psi.ch (Englisch, Chinesisch)

Originalveröffentlichung:
Observation of Weyl nodes and Fermi arcs in tantalum phosphide, N. Xu, H. M. Weng, B. Q. Lv, C. E. Matt, J. Park, F. Bisti, V. N. Strocov, D. Gawryluk, E. Pomjakushina, K. Conder, N. C. Plumb, M. Radovic, G. Autès, O. V. Yazyev, Z. Fang, X. Dai, T. Qian, J. Mesot, H. Ding and M. Shi
Nature Communications, 17. März 2016; DOI: 10.1038/NCOMMS11006 Link: http://dx.doi.org/10.1038/NCOMMS11006

Weitere Informationen:

http://psi.ch/z9CQ - Bericht über die Entdeckung des Weyl-Fermions durch PSI-Forschende
http://psi.ch/7o67 - Interview mit Gabriel Aeppli, Leiter des Forschungsbereichs Synchrotronstrahlung und Nanotechnologie am Paul Scherrer Institut

Dagmar Baroke | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Berichte zu: Elektronen Elektronik Energie Quasiteilchen

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Energie und Elektrotechnik:

nachricht „BioFlexRobot“: Weiche Gelenke machen Roboter sicherer
29.05.2017 | Technische Hochschule Nürnberg Georg Simon Ohm

nachricht Geräteschutzschalter erfüllt NEC Class 2
19.05.2017 | PHOENIX CONTACT GmbH & Co.KG

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Energie und Elektrotechnik >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Neue Methode für die Datenübertragung mit Licht

Der steigende Bedarf an schneller, leistungsfähiger Datenübertragung erfordert die Entwicklung neuer Verfahren zur verlustarmen und störungsfreien Übermittlung von optischen Informationssignalen. Wissenschaftler der Universität Johannesburg, des Instituts für Angewandte Optik der Friedrich-Schiller-Universität Jena und des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien Jena (Leibniz-IPHT) präsentieren im Fachblatt „Journal of Optics“ eine neue Möglichkeit, glasfaserbasierte und kabellose optische Datenübertragung effizient miteinander zu verbinden.

Dank des Internets können wir in Sekundenbruchteilen mit Menschen rund um den Globus in Kontakt treten. Damit die Kommunikation reibungslos funktioniert,...

Im Focus: Strathclyde-led research develops world's highest gain high-power laser amplifier

The world's highest gain high power laser amplifier - by many orders of magnitude - has been developed in research led at the University of Strathclyde.

The researchers demonstrated the feasibility of using plasma to amplify short laser pulses of picojoule-level energy up to 100 millijoules, which is a 'gain'...

Im Focus: Lässt sich mit Boten-RNA das Immunsystem gegen Staphylococcus aureus scharf schalten?

Staphylococcus aureus ist aufgrund häufiger Resistenzen gegenüber vielen Antibiotika ein gefürchteter Erreger (MRSA) insbesondere bei Krankenhaus-Infektionen. Forscher des Paul-Ehrlich-Instituts haben immunologische Prozesse identifiziert, die eine erfolgreiche körpereigene, gegen den Erreger gerichtete Abwehr verhindern. Die Forscher konnten zeigen, dass sich durch Übertragung von Protein oder Boten-RNA (mRNA, messenger RNA) des Erregers auf Immunzellen die Immunantwort in Richtung einer aktiven Erregerabwehr verschieben lässt. Dies könnte für die Entwicklung eines wirksamen Impfstoffs bedeutsam sein. Darüber berichtet PLOS Pathogens in seiner Online-Ausgabe vom 25.05.2017.

Staphylococcus aureus (S. aureus) ist ein Bakterium, das bei weit über der Hälfte der Erwachsenen Haut und Schleimhäute besiedelt und dabei normalerweise keine...

Im Focus: Can the immune system be boosted against Staphylococcus aureus by delivery of messenger RNA?

Staphylococcus aureus is a feared pathogen (MRSA, multi-resistant S. aureus) due to frequent resistances against many antibiotics, especially in hospital infections. Researchers at the Paul-Ehrlich-Institut have identified immunological processes that prevent a successful immune response directed against the pathogenic agent. The delivery of bacterial proteins with RNA adjuvant or messenger RNA (mRNA) into immune cells allows the re-direction of the immune response towards an active defense against S. aureus. This could be of significant importance for the development of an effective vaccine. PLOS Pathogens has published these research results online on 25 May 2017.

Staphylococcus aureus (S. aureus) is a bacterium that colonizes by far more than half of the skin and the mucosa of adults, usually without causing infections....

Im Focus: Orientierungslauf im Mikrokosmos

Physiker der Universität Würzburg können auf Knopfdruck einzelne Lichtteilchen erzeugen, die einander ähneln wie ein Ei dem anderen. Zwei neue Studien zeigen nun, welches Potenzial diese Methode hat.

Der Quantencomputer beflügelt seit Jahrzehnten die Phantasie der Wissenschaftler: Er beruht auf grundlegend anderen Phänomenen als ein herkömmlicher Rechner....

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Lebensdauer alternder Brücken - prüfen und vorausschauen

29.05.2017 | Veranstaltungen

49. eucen-Konferenz zum Thema Lebenslanges Lernen an Universitäten

29.05.2017 | Veranstaltungen

Internationale Konferenz an der Schnittstelle von Literatur, Kultur und Wirtschaft

29.05.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Intelligente Sensoren mit System

29.05.2017 | Messenachrichten

Geckos kommunizieren überraschend flexibel

29.05.2017 | Biowissenschaften Chemie

1,5 Millionen Euro für vier neue „Innovative Training Networks” an der Universität Hamburg

29.05.2017 | Förderungen Preise