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 Forschung in Rekordzeit zum Planeten TRAPPIST-1h
23.05.2017 | Universität Bern

nachricht Tumult im trägen Elektronen-Dasein
23.05.2017 | Max-Planck-Institut für Quantenoptik

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: Tumult im trägen Elektronen-Dasein

Ein internationales Team von Physikern hat erstmals das Streuverhalten von Elektronen in einem nichtleitenden Material direkt beobachtet. Ihre Erkenntnisse könnten der Strahlungsmedizin zu Gute kommen.

Elektronen in nichtleitenden Materialien könnte man Trägheit nachsagen. In der Regel bleiben sie an ihren Plätzen, tief im Inneren eines solchen Atomverbunds....

Im Focus: Turmoil in sluggish electrons’ existence

An international team of physicists has monitored the scattering behaviour of electrons in a non-conducting material in real-time. Their insights could be beneficial for radiotherapy.

We can refer to electrons in non-conducting materials as ‘sluggish’. Typically, they remain fixed in a location, deep inside an atomic composite. It is hence...

Im Focus: Hauchdünne magnetische Materialien für zukünftige Quantentechnologien entwickelt

Zweidimensionale magnetische Strukturen gelten als vielversprechendes Material für neuartige Datenspeicher, da sich die magnetischen Eigenschaften einzelner Molekülen untersuchen und verändern lassen. Forscher haben nun erstmals einen hauchdünnen Ferrimagneten hergestellt, bei dem sich Moleküle mit verschiedenen magnetischen Zentren auf einer Goldfläche selbst zu einem Schachbrettmuster anordnen. Dies berichten Wissenschaftler des Swiss Nanoscience Institutes der Universität Basel und des Paul Scherrer Institutes in der Wissenschaftszeitschrift «Nature Communications».

Ferrimagneten besitzen zwei magnetische Zentren, deren Magnetismus verschieden stark ist und in entgegengesetzte Richtungen zeigt. Zweidimensionale, quasi...

Im Focus: Neuer Ionisationsweg in molekularem Wasserstoff identifiziert

„Wackelndes“ Molekül schüttelt Elektron ab

Wie reagiert molekularer Wasserstoff auf Beschuss mit intensiven ultrakurzen Laserpulsen? Forscher am Heidelberger MPI für Kernphysik haben neben bekannten...

Im Focus: Wafer-thin Magnetic Materials Developed for Future Quantum Technologies

Two-dimensional magnetic structures are regarded as a promising material for new types of data storage, since the magnetic properties of individual molecular building blocks can be investigated and modified. For the first time, researchers have now produced a wafer-thin ferrimagnet, in which molecules with different magnetic centers arrange themselves on a gold surface to form a checkerboard pattern. Scientists at the Swiss Nanoscience Institute at the University of Basel and the Paul Scherrer Institute published their findings in the journal Nature Communications.

Ferrimagnets are composed of two centers which are magnetized at different strengths and point in opposing directions. Two-dimensional, quasi-flat ferrimagnets...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Aachener Werkzeugmaschinen-Kolloquium 2017: Internet of Production für agile Unternehmen

23.05.2017 | Veranstaltungen

14. Dortmunder MST-Konferenz zeigt individualisierte Gesundheitslösungen mit Mikro- und Nanotechnik

22.05.2017 | Veranstaltungen

Branchentreff für IT-Entscheider - Rittal Praxistage IT in Stuttgart und München

22.05.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Tumult im trägen Elektronen-Dasein

23.05.2017 | Physik Astronomie

Forschung in Rekordzeit zum Planeten TRAPPIST-1h

23.05.2017 | Physik Astronomie

Premiere einer verblüffenden Technik

23.05.2017 | Medizintechnik