Ein Aluminiumdraht mit unterschiedlichen Temperaturen, dargestellt in gelb, rot, grün und grau. Grün steht für Raumtemperatur(rechts) und gelb für zweihundert Grad Celsius (links)

Thermometer für die Nanowelt

Einige Milliarden winzige Transistoren schalten auf einem einzigen Chip, der daher immer besser gekühlt werden muss. Aber wo genau sich die hoch getakteten Prozessoren erhitzen, konnte bisher nicht gemessen werden. Ein neues Thermometer soll das nun ändern: Wie Forscher in der Fachzeitschrift „Science“ berichten, lässt sich mit ihrer Methode die Temperatur mit einer Ortsauflösung von nur wenigen Nanometern bestimmen. Auf diese Weise könne man das Aufheizen von Prozessoren besser verstehen und ausgeklügelte Kühlstrategien entwickeln.

Die Temperatur von einem Nanodraht wird mit einem Elektronenstrahl gemessen. In der Mitte ist der Nanodraht am heizesten, was in gelb dargestellt wird. Die angrenzenden Flächen sind rot.
Temperaturmessung bei einem Nanodraht

„Bisher konnte über die Wärmeleitfähigkeit nur eine Temperatur für einen Nanodraht bestimmt werden“, sagt Brian Chris Regan von der University of California in Los Angeles. Die neue Methode dagegen lieferte bis zu 10 000 Messwerte mit extrem hoher räumlicher Auflösung. Für diese Messung kombinierten Regan und seine Kollegen ein Elektronenmikroskop mit einem speziellen Spektrometer. Winzige Bereiche eines Nanodrahts aus Aluminium konnten sie damit abtasten und dabei die Schwingungen von Elektronen untersuchen. Diese Schwingungen, auch Plasmonen genannt, veränderten sich während des Aufheizens des Drahtes. Der physikalische Grund dafür ist die Ausdehnung des Aluminiums während des Aufheizens, sodass den Elektronen etwas mehr Platz zur Verfügung steht. Genau diese Veränderungen nutzten die Forscher als verlässlichen Maßstab für die lokale Temperatur.

In ihren Versuchen heizten Regan und Kollegen achtzig bis hundert Nanometer dünne und in Schleifen angeordnete Nanodrähte bis auf einige Hundert Grad Celsius auf. Während des Abtastens mit dem neuen Thermometer – Plasmon Energy Expansion Thermometer genannt – ließ sich die Temperatur mit einer Genauigkeit von zehn Prozent bestimmen. Dabei wurde der Nanodraht niemals direkt berührt, da dies die empfindliche Messung gestört hätte.

Kontaktfreie Temperaturmessungen sind zwar bereits lange mit speziellen Thermometern möglich, die sichtbares Licht oder Infrarotstrahlung detektieren. Doch die räumliche Auflösung ist dabei auf mindestens einige Hundert Nanometer beschränkt. Da das neue Thermometer die lokale Temperatur bis auf fünf Nanometer genau messen kann, könnten nun fundamentale Studien von Quanteneffekten bei der Wärmeleitung folgen, ist Christian Colliex von der französischen Universität Paris-Süd überzeugt. Nicht nur die Grundlagenforschung wird davon profitieren, sondern auch Chipentwickler, die das Wärmemanagement nanostrukturierter Computerchips weiter verbessern wollen.