Wie Wärme durch atomar dünne Kontakte fließt

Eines der großen Probleme in der Computertechnik ist das Abführen der Wärme in den immer kleineren Schaltkreisen. Auf der einen Seite ermöglichen immer kleinere Computerchips sehr viel höhere Rechengeschwindigkeiten und bessere Energieeffizienz. Auf der anderen Seite werden die winzigen Bauteile auch immer anfälliger für störende thermische Effekte. In der Fachzeitschrift „Nature Nanotechnology“ berichtet ein Forscherteam nun, was passiert, wenn man bis an die Grenze des Möglichen geht und mit atomar dünnen Kontakten arbeitet.

Versuchsaufbau innerhalb einer Kammer, in der eine dünne Membran an verschiedene Kabel angeschlossen ist
Versuchsaufbau

Wärme fließt auf unterschiedliche Weise durch Materialien. Bei elektrisch nicht oder schlecht leitenden Isolatoren und Halbleitern sind es die Gitterschwingungen der Atome eines Festkörpers, die die Wärmeenergie weiterleiten. Da diese sich immer nur von Atom zu Atom fortpflanzen, ist diese Art der Wärmeleitung entsprechend langsam. Sehr viel schneller und besser können Metalle Wärme leiten, denn bei ihnen tragen auch die frei beweglichen Elektronen zum Energietransport bei. Elektronen sind also nicht nur für den Stromfluss, sondern auch für die gute Wärmeleitung bei Metallen verantwortlich.

Um den Wärmefluss durch einzelne Metallatome exakt zu messen, entwickelten die Wissenschaftler um Nico Mosso von IBM Research in Zürich zunächst spezielle Sensoren. „Die Herstellung unserer Temperatursensoren war sehr anspruchsvoll: Sie mussten zugleich empfindlich genug sein, um die Berührung eines einzelnen Atoms zu spüren und zugleich starr genug, um diesen Kontakt während der langen Messzeit stabil zu halten”, so Mosso. Der von seinem Team angefertigte Sensor bestand aus einem sogenannten mikroelektromechanischen System, bei dem die Forscher auf einer dünnen Membran aus Siliziumnitrid eine winzige Platinstruktur als Thermometer aufbrachten. Daneben befand sich ein Goldplättchen, das als „Landezone” für die ebenfalls aus Gold bestehende Spitze eines Rastertunnelmikroskops diente. Indem Mosso und seine Kollegen diese Spitze langsam an das Goldplättchen annäherten und wieder entfernten, konnten sie sowohl den Stromfluss als auch die Wärmeleitung messen. Die Versuche fanden unter Vakuum und in einem völlig geräuschfreien Labor statt, denn jede minimale Erschütterung hätte den hauchfeinen Kontakt stören können.

Wie sich in den Experimenten herausstellte, war die Wärmeleitung direkt proportional zum Stromfluss. Dass dem bei Metallen so ist, hatten bereits 1853 die Wissenschaftler Gustav Wiedemann und Rudolph Franz in einem nach ihnen benannten Gesetz ausgedrückt. Die neuen Ergebnisse bestätigen nun aber erstmals experimentell, dass diese Abhängigkeit auch für einzelne Wärmequanten gilt. Das ist eine wichtige Erkenntnis für die Grundlagenforschung in diesem Bereich, da im Quantenbereich häufig andere Gesetzmäßigkeiten gelten als bei größeren Systemen.

Damit besitzen Ingenieure nun ein neues Werkzeug, um mit der Erzeugung und dem Abtransport von Wärme bei immer kleineren Strukturen umzugehen. Bis zur industriellen Anwendung dieser extrem empfindlichen Systeme wird es aber noch dauern. „Atomare Kontakte sind die ultimativ kleinsten elektronischen Anwendungen”, so Mosso. „Es wird ein langer Weg, bevor wir sie in unserer Tasche haben.”