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 VLT macht den präzisesten Test von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie außerhalb der Milchstraße
22.06.2018 | ESO Science Outreach Network - Haus der Astronomie

nachricht Neue Phänomene im magnetischen Nanokosmos
22.06.2018 | Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme

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: Leichter abheben: Fraunhofer LBF entwickelt Flugzeugrad aus Faser-Kunststoff-Verbund

Noch mehr Reichweite oder noch mehr Nutzlast - das wünschen sich Fluggesellschaften für ihre Flugzeuge. Wegen ihrer hohen spezifischen Steifigkeiten und Festigkeiten kommen daher zunehmend leichte Faser-Kunststoff-Verbunde zum Einsatz. Bei Rümpfen oder Tragflächen sind permanent Innovationen in diese Richtung zu beobachten. Um dieses Innovationsfeld auch für Flugzeugräder zu erschließen, hat das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF jetzt ein neues EU-Forschungsvorhaben gestartet. Ziel ist die Entwicklung eines ersten CFK-Bugrads für einen Airbus A320. Dabei wollen die Forscher ein Leichtbaupotential von bis zu 40 Prozent aufzeigen.

Faser-Kunststoff-Verbunde sind in der Luftfahrt bei zahlreichen Bauteilen bereits das Material der Wahl. So liegt beim Airbus A380 der Anteil an...

Im Focus: IT-Sicherheit beim autonomen Fahren

FH St. Pölten entwickelt neue Methode für sicheren Informationsaustausch zwischen Fahrzeugen mittels Funkdaten

Neue technische Errungenschaften wie das Internet der Dinge oder die direkte drahtlose Kommunikation zwischen Objekten erhöhen den Bedarf an effizienter...

Im Focus: Innovative Handprothesensteuerung besteht Alltagstest

Selbstlernende Steuerung für Handprothesen entwickelt. Neues Verfahren lässt Patienten natürlichere Bewegungen gleichzeitig in zwei Achsen durchführen. Forscher der Universitätsmedizin Göttingen (UMG) veröffentlichen Studie im Wissenschaftsmagazin „Science Robotics“ vom 20. Juni 2018.

Motorisierte Handprothesen sind mittlerweile Stand der Technik bei der Versorgung von Amputationen an der oberen Extremität. Bislang erlauben sie allerdings...

Im Focus: Temperaturgesteuerte Faser-Lichtquelle mit flüssigem Kern

Die moderne medizinische Bildgebung und neue spektroskopische Verfahren benötigen faserbasierte Lichtquellen, die breitbandiges Laserlicht im nahen und mittleren Infrarotbereich erzeugen. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien Jena (Leibniz-IPHT) zeigen in einer aktuellen Veröffentlichung im renommierten Fachblatt Optica, dass sie die optischen Eigenschaften flüssigkeitsgefüllter Fasern und damit die Bandbreite des Laserlichts gezielt über die Umgebungstemperatur steuern können.

Das Besondere an den untersuchten Fasern ist ihr Kern. Er ist mit Kohlenstoffdisulfid gefüllt - einer flüssigen chemischen Verbindung mit hoher optischer...

Im Focus: Temperature-controlled fiber-optic light source with liquid core

In a recent publication in the renowned journal Optica, scientists of Leibniz-Institute of Photonic Technology (Leibniz IPHT) in Jena showed that they can accurately control the optical properties of liquid-core fiber lasers and therefore their spectral band width by temperature and pressure tuning.

Already last year, the researchers provided experimental proof of a new dynamic of hybrid solitons– temporally and spectrally stationary light waves resulting...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Leben im Plastikzeitalter: Wie ist ein nachhaltiger Umgang mit Plastik möglich?

21.06.2018 | Veranstaltungen

Kongress BIO-raffiniert X – Neue Wege in der Nutzung biogener Rohstoffe?

21.06.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen im August 2018

20.06.2018 | Veranstaltungen

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

Leichter abheben: Fraunhofer LBF entwickelt Flugzeugrad aus Faser-Kunststoff-Verbund

22.06.2018 | Materialwissenschaften

Lernen und gleichzeitig Gutes tun? Baufritz macht‘s möglich!

22.06.2018 | Unternehmensmeldung

GFOS und skip Institut entwickeln gemeinsam Prototyp für Augmented Reality App für die Produktion

22.06.2018 | Unternehmensmeldung

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