Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Minimale Temperaturunterschiede

11.07.2013
Ein internationales Team mit Konstanzer Beteiligung erklärt die Wärmeentwicklung im Nanobereich

Wie funktioniert die Erwärmung von Materialien bei einem Stromfluss auf der atomaren Skala? Diese Frage konnte nun ein internationales Forscherteam mit Konstanzer Beteiligung beantworten. In dem Zusammenhang konnte auch erstmals die Landauer-Büttiker-Theorie der Wärmedissipation experimentell bestätigt werden. Juniorprofessor Dr. Fabian Pauly vom Konstanzer Fachbereich Physik kooperierte mit Forschern der University of Michigan, USA, sowie der Universidad Autónoma de Madrid, Spanien. Die Ergebnisse sind in der Juni-Ausgabe des renommierten Wissenschaftsjournals Nature erschienen.

Strom, der durch einen Draht fließt, erwärmt das Material. Der Effekt wird beispielsweise in einem Fön, elektrischen Herd oder Wasserkocher ausgenutzt. Allerdings ist so auch die Aufheizung zu erklären, die entsteht, während Computer in Betrieb sind. Hier stellt die Erwärmung erhebliche Probleme für das Material sowie die Funktion der Geräte dar und erfordert meist eine aktive Kühlung. Auf der makroskopischen Ebene ist der Vorgang der Wärmeentwicklung wissenschaftlich geklärt. Im mikroskopischen Bereich gelten die Gesetze der makroskopischen Welt nicht mehr. „Schaltkreise schrumpfen immer weiter und gehen in Richtung einzelner Atome und Moleküle“, so Fabian Pauly. Die Forschung in der Nanoelektronik ist darum von besonderer Relevanz. In der jetzt erschienenen Arbeit wurden die kleinstmöglichen Schaltkreise studiert. Elektroden werden hier durch atomare oder molekulare „Drähte“ verbunden, die nur aus einem einzelnen Atom oder Molekül bestehen.

Die Wissenschaftler konnten zeigen, wie sich Wärme im atomaren Bereich entwickelt und wie sich diese Wärmeentwicklung vom Prozess im makroskopischen Bereich unterscheidet. Wenn in der makroskopischen Welt Ladungen durch einen homogenen Draht fließen, erhitzt sich das System gleichmäßig, dem jouleschen Gesetz folgend, proportional zum Widerstand und dem Quadrat der Stromstärke. Im Gegensatz dazu in der Nanoelektronik: Besteht der „Draht“ lediglich aus einem Molekül, das zwei Elektroden verbindet, entwickelt sich die Temperatur in beiden Elektroden typischerweise unterschiedlich, während sich der molekulare Draht nicht erwärmt. „Letztendlich verstehen wir jetzt den Zusammenhang zwischen elektronischen Eigenschaften und der Erwärmung“, so Fabian Pauly.

Wie lässt sich die Wärmeentwicklung beeinflussen? In welcher Elektrode die Erwärmung größer ist, hängt davon ab, ob ein sogenannter Elektronen- oder Lochtransport vorliegt. Damit konnte erstmals die Landauer-Büttiker-Theorie der Wärmedissipation experimentell bestätigt werden, eine mikroskopische Theorie aus der Quantenmechanik. „Die Vorhersagen der Theorie stimmen überein mit den Ergebnissen der Experimente“, so Fabian Pauly zusammenfassend. Fabian Pauly hat als theoretischer Physiker so genannte ab-initio-Berechnungen des Ladungstransports auf Basis der Dichtefunktionaltheorie durchgeführt, die die Experimente in einer parameterfreien Theorie erklären.

Das amerikanische Team an der University of Michigan war als erste Experimentalgruppe in der Lage, mithilfe neuartiger Rastertunnelmikroskopie-Methoden minimale Temperaturunterschiede im Millikelvin-Bereich zwischen den Elektroden molekularer Kontakte zu messen. Dieser Durchbruch ermöglichte es erst, mit den theoretischen Vorhersagen zu vergleichen und festzustellen, ob die Erwärmung stärker in der linken oder in der rechten Elektrode stattfindet.

Fabian Pauly arbeitet seit dem Wintersemester 2012/2013 als Juniorprofessor im Fachbereich Physik der Universität Konstanz. Zuvor war er ein Jahr lang als Gastwissenschaftler am Lawrence Berkeley National Laboratory, USA, tätig und davor am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) als Nachwuchsgruppenleiter und Forschungsassistent.

Originalveröffentlichung:
W. Lee, K. Kim, W. Jeong, L. A. Zotti, F. Pauly, J. C. Cuevas & P. Reddy, Heat dissipation in atomic-scale junctions, Nature 498, 209–212 (2013); doi:10.1038/nature12183
Kontakt:
Universität Konstanz
Kommunikation und Marketing
Telefon: 07531 / 88-3603
E-Mail: kum@uni-konstanz.de
Juniorprofessor Dr. Fabian Pauly
Universität Konstanz
Fachbereich Physik
Universitätsstraße 10
78464 Konstanz
Telefon: 07531 / 88-4926
E-Mail: Fabian.Pauly@uni-konstanz.de

Julia Wandt | idw
Weitere Informationen:
http://www.uni-konstanz.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Die Sonne: Motor des Erdklimas
23.08.2017 | Generalverwaltung der Max-Planck-Gesellschaft, München

nachricht Entfesselte Magnetkraft
23.08.2017 | Generalverwaltung der Max-Planck-Gesellschaft, München

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Platz 2 für Helikopter-Designstudie aus Stade - Carbontechnologie-Studenten der PFH erfolgreich

Bereits lange vor dem Studienabschluss haben vier Studenten des PFH Hansecampus Stade ihr ingenieurwissenschaftliches Können eindrucksvoll unter Beweis gestellt: Malte Blask, Hagen Hagens, Nick Neubert und Rouven Weg haben bei einem internationalen Wettbewerb der American Helicopter Society (AHS International) den zweiten Platz belegt. Ihre Aufgabe war es, eine Designstudie für ein helikopterähnliches Fluggerät zu entwickeln, das 24 Stunden an einem Punkt in der Luft fliegen kann.

Die vier Kommilitonen sind im Studiengang Verbundwerkstoffe/Composites am Hansecampus Stade der PFH Private Hochschule Göttingen eingeschrieben. Seit elf...

Im Focus: Wissenschaftler entdecken seltene Ordnung von Elektronen in einem supraleitenden Kristall

In einem Artikel der aktuellen Ausgabe des Forschungsmagazins „Nature“ berichten Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe in Dresden von der Entdeckung eines seltenen Materiezustandes, bei dem sich die Elektronen in einem Kristall gemeinsam in einer Richtung bewegen. Diese Entdeckung berührt eine der offenen Fragestellungen im Bereich der Festkörperphysik: Was passiert, wenn sich Elektronen gemeinsam im Kollektiv verhalten, in sogenannten „stark korrelierten Elektronensystemen“, und wie „einigen sich“ die Elektronen auf ein gemeinsames Verhalten?

In den meisten Metallen beeinflussen sich Elektronen gegenseitig nur wenig und leiten Wärme und elektrischen Strom weitgehend unabhängig voneinander durch das...

Im Focus: Wie ein Bakterium von Methanol leben kann

Bei einem Bakterium, das Methanol als Nährstoff nutzen kann, identifizierten ETH-Forscher alle dafür benötigten Gene. Die Erkenntnis hilft, diesen Rohstoff für die Biotechnologie besser nutzbar zu machen.

Viele Chemiker erforschen derzeit, wie man aus den kleinen Kohlenstoffverbindungen Methan und Methanol grössere Moleküle herstellt. Denn Methan kommt auf der...

Im Focus: Topologische Quantenzustände einfach aufspüren

Durch gezieltes Aufheizen von Quantenmaterie können exotische Materiezustände aufgespürt werden. Zu diesem überraschenden Ergebnis kommen Theoretische Physiker um Nathan Goldman (Brüssel) und Peter Zoller (Innsbruck) in einer aktuellen Arbeit im Fachmagazin Science Advances. Sie liefern damit ein universell einsetzbares Werkzeug für die Suche nach topologischen Quantenzuständen.

In der Physik existieren gewisse Größen nur als ganzzahlige Vielfache elementarer und unteilbarer Bestandteile. Wie das antike Konzept des Atoms bezeugt, ist...

Im Focus: Unterwasserroboter soll nach einem Jahr in der arktischen Tiefsee auftauchen

Am Dienstag, den 22. August wird das Forschungsschiff Polarstern im norwegischen Tromsø zu einer besonderen Expedition in die Arktis starten: Der autonome Unterwasserroboter TRAMPER soll nach einem Jahr Einsatzzeit am arktischen Tiefseeboden auftauchen. Dieses Gerät und weitere robotische Systeme, die Tiefsee- und Weltraumforscher im Rahmen der Helmholtz-Allianz ROBEX gemeinsam entwickelt haben, werden nun knapp drei Wochen lang unter Realbedingungen getestet. ROBEX hat das Ziel, neue Technologien für die Erkundung schwer erreichbarer Gebiete mit extremen Umweltbedingungen zu entwickeln.

„Auftauchen wird der TRAMPER“, sagt Dr. Frank Wenzhöfer vom Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) selbstbewusst. Der...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Die Zukunft des Leichtbaus: Mehr als nur Material einsparen

23.08.2017 | Veranstaltungen

Logistikmanagement-Konferenz 2017

23.08.2017 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - Oktober 2017

23.08.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Spot auf die Maschinerie des Lebens

23.08.2017 | Biowissenschaften Chemie

Die Sonne: Motor des Erdklimas

23.08.2017 | Physik Astronomie

Entfesselte Magnetkraft

23.08.2017 | Physik Astronomie