13/06/2013 - Erklären Sie, wie Wärme in Nanotechnologie-Geräten freigesetzt wird

Menéame

Die Herstellung von Kreise, die aus einzelnen Atomen und Molekülen bestehen - das letztendliche Ziel der Miniaturisierung der Stromkreise - ist eine neue Realität. Bislang jedoch wird die Konstruktion nur in Forschungslabors durchgeführt, da die Unkenntnis darüber, wie die Wärme in diesen Laboren abgebaut wird, eine Behinderung für die Implementierung in technologischen Anwendungen darstellt.

In einem Artikel, der diese Woche in der Zeitschrift veröffentlicht wird Natur, Juan Carlos Cuevas und Linda Angela Zotti, Forscher der Abteilung für Theoretische Physik der kondensierten Materie der Autonome Universität Madrid (UAM) haben zusammen mit Wissenschaftlern aus der Universität Michigan (USA), das Rätsel der Wärmeableitung in elektrischen Stromkreisen der Atomgröße.

Wie der Artikel feststellt, verwendeten die Forscher neue Nanometer, um die Wärmemenge zu messen, die in einer Reihe von Nanoschaltungen aus einzelnen Atomen und Molekülen abgestrahlt wurde.

Die Wissenschaftler konnten auch feststellen, wie und wo das Phänomen aufgetreten ist. "Mit der Entwicklung einer Quantentheorie der Wärmeleitung," erklärt Höhlen, "konnte man feststellen, dass der Ort, an dem die Wärme freigesetzt wird, durch die elektronische Struktur der Atome und Moleküle bestimmt wird, aus denen diese Schaltkreise bestehen."

Die Forscher der UAM erklärten: "Diese Entdeckung wird es ermöglichen zu verstehen, wie die Wärme in zahlreichen Nanogrößengeräten, die die Grundlage für die künftige Nanoelektronik bilden sollen, abgebaut wird. Auf der anderen Seite öffnet diese Arbeit,- fügen sie hinzu -, die Tür zu der Möglichkeit, Atom- oder Molekularkreise zu verwenden, um in situ Nanogeräte zu kühlen, jetzt eine der großen Herausforderungen der Nanowissenschaft."

Der Joule-Effekt auf Nanogeräte

Der Joule-Effekt - die Erhitzung eines Fahrers durch den Stromdurchlauf - ist hinter dem Betrieb vieler Geräte für den täglichen Gebrauch her: Trockner, Warmwasserbereiter, traditionelle Glühbirnen usw., um nur einige zu nennen.

Dieses Phänomen, das 1841 vom englischen Physiker James Prescott Joule entdeckt wurde - einer der Eltern der Thermodynamik - hat seinen Ursprung in den Kollisionen, die Elektronen mit den Ionen haben, die die Leiter bilden: Wenn eine Batterie auf einen Stromkreis aufgebracht wird, werden die Elektronen beschleunigt und ihre überschüssige Energie auf Ionen übertragen, was zu einer Temperaturerhöhung führt.

Der Joule-Effekt, der in einigen Fällen so vorteilhaft ist, hat auch sehr negative Aspekte. Die damit verbundene innewohnende Erwärmung kann beispielsweise die Stabilität und Effizienz vieler elektronischer Geräte beeinträchtigen. In der Tat ist ein Großteil des jüngsten Fortschritts in der Informatik mit einer besseren Kontrolle der Wärmeabscheidung verbunden.

Während dieses Phänomen in normalen elektrischen Schaltkreisen, wo es von klassischen Gesetzen beherrscht wird, vollkommen verstanden wird, ist die Situation völlig anders, wenn die Abmessungen der Schaltkreise auf die Atomskala reduziert werden. In diesen Fällen kreuzen Elektronen den zentralen Teil des Kreislaufs, ohne Energie mit Ionen auszutauschen, so dass - bis jetzt - nicht klar war, wie und wo die Wärmeableitung stattfand.

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Bibliographische Referenz:
W. Lee, K. Kim, W. Jeong, L.A. Zotti, F. Pauly, J.C. Höhlen, P. Reddy, Heat dissipation in atomic-scale junctions. In der Presse in Nature (13. Juni 2013).

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Autonome Universität Madrid

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