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Glas zeigt überraschendes Verhalten, wenn es zu einer atomdünnen Brücke gezogen wird
Glas gilt als schlechter Wärmeleiter. Doch wenn zwei Glasflächen nur noch über eine atomdünne Brücke verbunden sind, kann Wärme deutlich leichter hindurchfließen als erwartet. Messungen an solchen Kontakten aus Siliziumdioxid erreichen bis zu 40 Prozent der quantenphysikalischen Obergrenze und liefern neue Einblicke in die Wärmeabfuhr künftiger Nanoelektronik.
Boulder (U.S.A.). Elektronische Bauteile werden immer kleiner, doch die beim Betrieb entstehende Wärme muss weiterhin abgeführt werden. Je enger die Strukturen, desto wichtiger wird die Frage, wie Energie zwischen einzelnen Atomen übertragen wird.
Ausgerechnet Glas zeigt dabei ein unerwartetes Verhalten. In gewöhnlichem Siliziumdioxid bremsen die ungeordneten Atome den Wärmetransport, weil sie die Schwingungen streuen, über die Wärme in elektrischen Isolatoren weitergegeben wird. In einer Verbindung aus nur wenigen Atomen verliert diese Unordnung offenbar einen Großteil ihrer Wirkung.
Forscher des Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM) um Dr. Guilherme Vilhena haben gemeinsam mit einer Experimentalgruppe den Wärmetransport in atomaren Kontakten aus amorphem Siliziumdioxid untersucht. Dazu wurde eine gläserne Messspitze auf eine Oberfläche aus demselben Material gesetzt und anschließend langsam zurückgezogen.
Die Verbindung verengte sich dabei immer weiter, bis eine atomdünne Brücke übrig blieb und schließlich abriss. Eine eigens entwickelte Raster-Wärmesonde mit integriertem Heizer und Thermometer erfasste währenddessen kleinste Wärmeströme mit einer Empfindlichkeit im Pikowattbereich.
„Wenn man mit dem eigenen Finger eine Oberfläche berührt, kann man ihre Struktur und ihre Wärme spüren“, erklärt Dr. Longji Cui von der University of Colorado Boulder (CU Boulder).
Das Messgerät arbeitet nach einem ähnlichen Prinzip, nur auf der Skala einzelner Atome. Sein winziger Messarm ist rund 95 Mikrometer lang und ermöglicht es, selbst den letzten Kontakt vor dem Abreißen zu verfolgen.
Beim Zurückziehen nahm der Wärmeleitwert des Kontakts nicht gleichmäßig ab, sondern in deutlich erkennbaren Stufen. In rund 2.000 Messzyklen trat unmittelbar vor dem Abreißen besonders häufig ein Wert auf, der etwa 40 Prozent des theoretischen Quantenlimits entsprach.
Der Wärmeleitwert beschreibt, wie viel Wärme bei einem bestimmten Temperaturunterschied durch einen Kontakt fließen kann. Für die Schwingungen einer atomaren Kette ergibt sich aus drei möglichen Übertragungskanälen bei Raumtemperatur eine Obergrenze von ungefähr einem Nanowatt pro Kelvin.
Die gemessenen Werte übertrafen den durch Atomschwingungen übertragenen Wärmeleitwert vergleichbarer Goldkontakte um etwa das Zehnfache. Eine zweite Messspitze, eine weitere Probe und eine automatische Auswertung der Messkurven stützten den Befund.