IBM Forscher messen die Wärmeleitfähigkeit durch einen einatomigen Kontakt

Das System, mit dem Messungen durchgeführt wurden

Experten des IBM-Forschungslabors Zürich konnten experimentelle Beweise für die Möglichkeit erhalten, ein einzelnes Wärmequant zu extrahieren und zu messen. Mit Blick auf die Zukunft können wir sagen, dass die Ergebnisse des Experiments Ingenieuren und Wissenschaftlern wahrscheinlich helfen werden, Probleme mit der Effizienz der Wärmeabfuhr von Elementen moderner elektronischer Geräte zu überwinden. Für das Experiment selbst konnten die Wissenschaftler die Wärmeleitfähigkeit einzelner Metallatome messen - in diesem Fall Gold. Zum ersten Mal in der Geschichte der Wissenschaft haben Wissenschaftler ein ähnliches Experiment bei Raumtemperatur erfolgreich durchgeführt.

Der erste Versuch, die Wärmeleitfähigkeit einzelner Atome zu messen, wurde 1999 von Forschern des California Institute of Technology unternommen. Das Experiment wurde ebenfalls als erfolgreich angesehen, aber die Messungen wurden bei ultraniedrigen Temperaturen durchgeführt. Dann konnten Wissenschaftler die Gültigkeit des Wiedemann-Franz-Gesetzes experimentell bestätigen. Dies ist ein physikalisches Gesetz, das besagt, dass für Metalle das Verhältnis des Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten (oder des Wärmeleitfähigkeitstensors) zur elektrischen Leitfähigkeit (oder des Leitfähigkeitstensors) proportional zur Temperatur ist.

Dank des Ergebnisses können Spezialisten nun thermische und elektrische Effekte auf subatomarer Ebene oder innerhalb eines einzelnen Moleküls vorhersagen.

„Trotz der Tatsache, dass das Gesetz selbst formuliert wurde und sich für bestimmte Metalle als fair erwies, war es schwierig, seine Gültigkeit beim Übergang in den Nanobereich zu beweisen“, erklärt Bernd Gostmann, einer der führenden Forscher der Arbeit.

Um Messungen auf subatomarer Ebene erfolgreich durchführen zu können, werden zuverlässige Werkzeuge benötigt. Aber es ist ziemlich schwierig, sie aus offensichtlichen Gründen zu erstellen. Im vergangenen Jahr haben Wissenschaftler des IBM-Forschungslabors Zürich in Zusammenarbeit mit Fachleuten der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich die entsprechende Technologie entwickelt und patentiert. Mit seiner Hilfe konnte ein System geschaffen werden, das die Temperatur von Objekten mit einer Größe von 10 Nanometern oder weniger messen kann. Die Technologie wird als "Rastersonden-Thermometrie" bezeichnet. Der praktische Vorteil hierbei ist, dass Sie mit diesem Gerät eine Karte der Wärmeverteilung über das elektronische Teil erstellen können. Dies eröffnet wiederum die Möglichkeit, Elemente zu entwerfen, die effektiv gekühlt werden.



Trotzdem reichen 10 Nanometer nach modernen Maßstäben für Geräte bereits nicht aus. Daher haben Wissenschaftler ein Werkzeug entwickelt, mit dem die Wärmeleitfähigkeit einzelner Atome gemessen werden kann, wie oben erläutert.

Der Erfolg wurde durch zwei Schlüsselfaktoren ermöglicht. Das erste ist ein mikroelektromechanisches System mit einem integrierten Wärmesensor, das als Teil eines Vakuum-Rastertunnel-Elektronenmikroskops arbeitet. Die Elektrode, mit der gemessen wird, ist vom thermischen Einfluss der Chipumgebung isoliert.

„In unserer Arbeit haben wir die Richtigkeit des Wiedemann-Franz-Gesetzes in Bezug auf Quantenpunktkontakte bewiesen, das vom IBM-Wissenschaftler Rolf Landauer vorhergesagt wurde“, sagte einer der Studienteilnehmer. Dank der Arbeit von Wissenschaftlern des IBM Research Laboratory in Zürich können Spezialisten nun die Wärmeverteilung in Geräten von der Größe eines oder mehrerer Moleküle steuern. Dies eröffnet enorme Möglichkeiten für Elektronik, Materialwissenschaften und andere Bereiche der Wissenschaft und Technologie.

Source: https://habr.com/ru/post/de401477/