Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Metall-Isolator-Materialien verstehen: Die Wirkung des heißen Elektrons

18.12.2019

Sehen kann man sie nicht wirklich, aber dennoch lässt sich der Energiefluss wie in einem Daumenkino verfolgen: Physiker der Universität Duisburg-Essen (UDE) haben die Energieübertragung in einem Metall-Isolator-Material untersucht und ihre Ergebnisse im Fachmagazin „Physical Review B“ veröffentlicht. Langfristig könnten sie dazu beitragen, das Wärmeproblem in der Mikroelektronik durch gezieltes Materialdesign zu lösen.

Laptops und Server – sie wären zum Hitzetod verurteilt, gäbe es nicht energiefressende und voluminöse Technik, um die empfindlichen Schaltungen zu kühlen.


Elektronenbeugungsmuster der Probe (Farben nachträglich hinzugefügt).

N. Rothenbach et al., Phys. Rev. B 100 (2019)

Ungewollte, bisher aber nicht vermeidbare Abwärme ist ein teures Problem. Verfolgt man ihre Ursache bis auf die atomare Ebene zurück, so landet man beim Elektron, das sich seinen Weg durch verschiedene Materialien bahnt. Aber wie genau?

Das haben UDE-Physiker vom Sonderforschungsbereich „Nichtgleichgewichtsdynamik kondensierter Materie in der Zeitdomäne“ untersucht. Dazu haben sie ein Material, das im Wechsel aus dünnen Schichten Metall (Eisen) und Isolator (Magnesiumoxid) besteht, mit einem Anrege-Abfrage-Verfahren untersucht:

Ein Laserpuls bringt Energie in das System ein, kurze Zeit später liest ein Röntgenstrahl in einer Momentaufnahme aus, wie sie sich in Form „heißer Elektronen“ im Material ausbreitet. „Wenn wir den zeitlichen Abstand beider Pulse gleichmäßig vergrößern, dann können wir den Prozess wie in einem Film verfolgen“, erklärt Experimentalphysikerin Dr. Andrea Eschenlohr.

Reaktion in einer billionstel Sekunde

Das Ergebnis: In weniger als einer Pikosekunde (0,000 000 000 001 s) regen die heißen Elektronen das Metallgitter an; fast gleichzeitig beginnt die Grenzfläche zwischen den Materialien zu schwingen. Eine weitere Pikosekunde später reagiert auch der Isolator.

„Letzteres hat uns überrascht“, so Eschenlohr. „Wir hätten nicht erwartet, dass diese Grenzflächenschwingungen so wichtig sind.“ Theoretische Simulationen bestätigten die Ergebnisse im Detail.

Im nächsten Schritt wollen die Physiker nun komplexere Systeme untersuchen und die Ergebnisse möglichst verallgemeinern. „Auf lange Sicht ließe sich so vielleicht ein genau abgestimmter Materialmix für verschiedene Aufgaben maßschneidern und das Problem mit der Abwärme lösen.“

Die Veröffentlichung entstand als Kooperation der Arbeitsgruppen von Prof. Dr. Uwe Bovensiepen, Prof. Dr. Rossitza Pentcheva und Prof. Dr. Heiko Wende.

Redaktion: Birte Vierjahn, Tel. 0203 37 9-8176, birte.vierjahn@uni-due.de

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Dr. Andrea Eschenlohr, Tel. 0203 37 9-4531, andrea.eschenlohr@uni-due.de

Originalpublikation:

N. Rothenbach, M. E. Gruner, K. Ollefs, C. Schmitz-Antoniak, S. Salamon, P. Zhou, R. Li, M. Mo, S. Park, X. Shen, S. Weathersby, J. Yang, X. J. Wang, R. Pentcheva, H. Wende, U. Bovensiepen, K. Sokolowski-Tinten, and A. Eschenlohr
Microscopic nonequilibrium energy transfer dynamics in a photoexcited metal/insulator heterostructure
Phys. Rev. B 100, 174301 (2019)
DOI: 10.1103/PhysRevB.100.174301

Birte Vierjahn | idw - Informationsdienst Wissenschaft
Weitere Informationen:
http://www.uni-duisburg-essen.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Von China an den Südpol: Mit vereinten Kräften dem Rätsel der Neutrinomassen auf der Spur
25.02.2020 | Johannes Gutenberg-Universität Mainz

nachricht Kurzfilm eines magnetischen Nanowirbels
25.02.2020 | Paul Scherrer Institut (PSI)

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: Bayreuther Hochdruck-Forscher entdecken vielversprechendes Material für Informationstechnologien

Forscher der Universität Bayreuth haben ein ungewöhnliches Material entdeckt: Bei einer Abkühlung auf zwei Grad Celsius ändern sich seine Kristallstruktur und seine elektronischen Eigenschaften abrupt und signifikant. In diesem neuen Zustand lassen sich die Abstände zwischen Eisenatomen mithilfe von Lichtstrahlen gezielt verändern. Daraus ergeben sich hochinteressante Anwendungsmöglichkeiten im Bereich der Informationstechnologien. In der Zeitschrift „Angewandte Chemie – International Edition“ stellen die Wissenschaftler ihre Entdeckung vor. Die neuen Erkenntnisse sind aus einer engen Zusammenarbeit mit Partnereinrichtungen in Augsburg, Dresden, Hamburg und Moskau hervorgegangen.

Bei dem ungewöhnlichen Material handelt es sich um ein Eisenoxid mit der Zusammensetzung Fe₅O₆. In einem Hochdrucklabor des Bayerischen Geoinstituts (BGI),...

Im Focus: Von China an den Südpol: Mit vereinten Kräften dem Rätsel der Neutrinomassen auf der Spur

Studie von Mainzer Physikern zeigt: Experimente der nächsten Generation versprechen Antworten auf eine der aktuellsten Fragen der Neutrinophysik

Eine der spannendsten Herausforderungen der modernen Physik ist die Ordnung oder Hierarchie der Neutrinomassen. Eine aktuelle Studie, an der Physiker des...

Im Focus: High-pressure scientists in Bayreuth discover promising material for information technology

Researchers at the University of Bayreuth have discovered an unusual material: When cooled down to two degrees Celsius, its crystal structure and electronic properties change abruptly and significantly. In this new state, the distances between iron atoms can be tailored with the help of light beams. This opens up intriguing possibilities for application in the field of information technology. The scientists have presented their discovery in the journal "Angewandte Chemie - International Edition". The new findings are the result of close cooperation with partnering facilities in Augsburg, Dresden, Hamburg, and Moscow.

The material is an unusual form of iron oxide with the formula Fe₅O₆. The researchers produced it at a pressure of 15 gigapascals in a high-pressure laboratory...

Im Focus: From China to the South Pole: Joining forces to solve the neutrino mass puzzle

Study by Mainz physicists indicates that the next generation of neutrino experiments may well find the answer to one of the most pressing issues in neutrino physics

Among the most exciting challenges in modern physics is the identification of the neutrino mass ordering. Physicists from the Cluster of Excellence PRISMA+ at...

Im Focus: Krankheiten ohne Medikamente heilen

Fraunhofer-Forschende wollen mit Mikroimplantaten Nervenzellen gezielt elektrisch stimulieren und damit chronische Leiden wie Asthma, Diabetes oder Parkinson behandeln. Was diese Therapieform so besonders macht und welche Herausforderungen die Forscher noch lösen müssen.

Laut einer Studie des Robert-Koch-Instituts ist jede vierte Frau von Harninkontinenz betroffen. Diese Form der Blasenschwäche wurde bislang durch ein...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Automatisierung im Dienst des Menschen

25.02.2020 | Veranstaltungen

Genomforschung für den Artenschutz - Internationale Fachtagung in Frankfurt

25.02.2020 | Veranstaltungen

Leopoldina-Symposium: „Mission – Innovation“ 2020

21.02.2020 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Plasmonen im atomaren Flachland

25.02.2020 | Informationstechnologie

Bayreuther Hochdruck-Forscher entdecken vielversprechendes Material für Informationstechnologien

25.02.2020 | Informationstechnologie

Von China an den Südpol: Mit vereinten Kräften dem Rätsel der Neutrinomassen auf der Spur

25.02.2020 | Physik Astronomie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics